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Como encontrar o raio de uma circunferência quando a intersecção com um triângulo retângulo gera três cordas congruentes

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Seja um triângulo retângulo $BAC$, retângulo em $A$. Se uma circunferência de raio $r$ passa por $A$ e corta os três lados do triângulo gerando três cordas congruentes, então podemos calcular o raio $r$ em função dos segmentos $a=\overline{BD}$ e $b=\overline{CE}$, de modo que:
$$
r^2 = a b
$$

Analisando a figura

  • O triângulo é retângulo em $A$
  • A circunferência de raio $r$ possui centro $O$ interno ao triângulo e passa pelo vértice $A$ do triângulo
  • As intersecções com os três lados do triângulo geram três cordas congruentes $\overline{AF} \equiv \overline{AG} \equiv \overline{DE}$, ou seja, possuem mesma medida
  • A hipotenusa é dividida em três segmentos: $a=\overline{BD}$, $b=\overline{CE}$ e $\overline{DE}$
  • O triângulo $FAG$ é retângulo em $A$ e sua hipotenusa é o próprio diâmetro da circunferência

Encontrando o comprimento das cordas em função dos segmentos $a$ e $b$

O primeiro passo é encontrar o comprimento das cordas em função dos segmentos $a$ e $b$. Vamos chamar de $x$ o comprimento das cordas $x = \overline{AF} = \overline{AG} = \overline{DE}$. 

Como as cordas $\overline{DE}$ e $\overline{FA}$ são congruentes e não são paralelas, ao serem prolongadas, encontram-se em $B$. Assim, os segmentos $\overline{BD}$ e $\overline{BF}$ também são congruentes e possuem medias iguais a $a$.

Analogamente, os segmentos $\overline{CE}$ e $\overline{CG}$ são congruentes e possuem medidas iguais a $b$.

Assim, podemos representar o triângulo retângulo como:
encontrando-o-comprimento-das-cordas-em-funcao-dos-segmentos-a-b

$$
(a+x+b)^2 = (a+x)^2 + (b+x)^2\\
\ \\
a^2+b^2+x^2+2ab+2ax+2bx = \\
a^2+2ab+x^2 + b^2+2bx+x^2\\
\ \\
2ab = x^2
$$
Assim, as cordas podem ser expressas em função dos segmentos $a$ e $b$:
$$
x = \sqrt{2ab} \tag{1}
$$

Encontrando o comprimento das cordas em função do raio $r$

Do triângulo $AFG$, temos:
$$
(2r)^2 = x^2 + x^2 \\
\ \\
4r^2 = 2x^2\\
\ \\
2r^2 = x^2
$$
Assim, as cordas podem ser expressas em função do raio:
$$
x = r \sqrt{2} \tag{2}
$$

Expressando o raio $r$ em função dos segmentos $a$ e $b$

Substituindo a equação $(2)$ na equação $(1)$, obtemos:
$$
r \sqrt{2} = \sqrt{2ab}
$$
Elevando ambos os membros ao quadrado, obtemos:
$$
\big(r\sqrt{2}\big)^2 = \big(\sqrt{2ab}\big)^2\\
\ \\
2r^2 = 2ab
$$
Encontrando:
$$
r^2 = ab \tag{3}
$$

Veja mais:


Como calcular a metade de uma raiz quadrada?

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como-calcular-a-metade-de-uma-raiz-quadrada - calculo-de-raiz-dicas-enem-raiz
Para expressar matematicamente o conceito de metade da raiz quadrada, utilizamos a notação:
$$
\frac{\sqrt{x}}{2}
$$
Se tivermos a raiz quadrada de um número e quisermos calcular sua metade, podemos proceder de algumas formas diferentes.

Casos em que o radicando é um quadrado perfeito

Um quadrado perfeito é um número que pode ser expresso como o quadrado de um número inteiro

Assim, se o radicando for um quadrado perfeito, podemos simplesmente extrair a raiz e em seguida dividir por 2 para encontrar sua metade.

Exemplos:

$\bullet \ \ \displaystyle \frac{\sqrt{4}}{2} = \frac{2}{2} = 1$

$\bullet \ \ \displaystyle \frac{\sqrt{9}}{2} = \frac{3}{2} = 1,5$

$\bullet \ \ \displaystyle \frac{\sqrt{16}}{2} = \frac{4}{2} = 2$

Casos em que o radicando não é um quadrado perfeito

Se o radicando não for um quadrado perfeito, podemos calcular a metade da raiz quadrada de duas formas: fatorando o radicando ou inserindo o denominador na raiz.

Método da fatoração

Podemos fatorar o radicando e verificar se algum número inteiro pode ser extraído da raiz e dividi-lo por 2. Isso só ocorrerá se o número não for um número primo.

Para fatorar o radicando, expressamos o número como uma multiplicação de fatores primos. Isso permite simplificar a raiz quadrada extraindo fatores inteiros, dividindo o resultado final por 2.

Exemplos:

$\bullet \ \ \displaystyle \frac{\sqrt{24}}{2} = \frac{\sqrt{2^3 \cdot 3}}{2} = \frac{2 \sqrt{2\cdot 3}}{2} = \sqrt{6}$

$\bullet \ \ \displaystyle \frac{\sqrt{32}}{2} = \frac{\sqrt{2^5}}{2} = \frac{2 \sqrt{2^3}}{2} = \sqrt{8}=2\sqrt{2}$

$\bullet \ \ \displaystyle \frac{\sqrt{72}}{2} = \frac{\sqrt{2^3 \cdot 3^2}}{2} = \frac{2 \sqrt{2\cdot 3^2}}{2} = \sqrt{18}=3\sqrt{2}$

$\bullet \ \ \displaystyle \frac{\sqrt{50}}{2} = \frac{\sqrt{2 \cdot 5^2}}{2} = \frac{5 \sqrt{2}}{2}$

Método da inserção do denominador no radicando

Podemos inserir o denominador 2 no radicando e utilizar a propriedade dos radicais que: o quociente entre dois radicais é o radical dos quocientes.

Exemplos:

$\bullet \ \ \displaystyle \frac{\sqrt{24}}{2} = \frac{\sqrt{24}}{\sqrt{4}} = \sqrt{\frac{24}{4}} = \sqrt{6}$

$\bullet \ \ \displaystyle \frac{\sqrt{32}}{2} = \frac{ \sqrt{32}}{\sqrt{4}} = \sqrt{\frac{32}{4}} = \sqrt{8} = 2\sqrt{2}$

$\bullet \ \ \displaystyle \frac{\sqrt{72}}{2} = \frac{\sqrt{72}}{\sqrt{4}} = \sqrt{\frac{72}{4}} = \sqrt{18} = 3\sqrt{2}$


Escolher a técnica adequada para encontrar a metade da raiz quadrada depende do tipo de radicando que o problema oferece. Com essa habilidade, você pode simplificar operações com radicais de maneira eficiente, adaptando a técnica conforme a estrutura do número em questão. O método mais eficiente é aquele que te dá menos trabalho.

Vejam mais:

A Geometria: da Grécia Antiga à Modernidade

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a-geometrida-da-grecia-antiga-a-modernidade-tales-de-mileto-pitagoras-euclides-descartes-fermat-newton-viete-kepler-fibonacci

1. A Grécia antiga: a sistematização da geometria (do século VI ao século II a.C.)

A ciência lida com a investigação, e a filosofia, com a especulação. Mas sabemos que os vários campos da ciência começaram como exploração filosófica. Tanto uma quanto a outra começam quando alguém faz perguntas de caráter geral, por tanto o discurso filosófico e a investigação científica estão intimamente vinculados.

Como as conhecemos hoje, a ciência e a filosofia são invenções gregas. Foram os gregos os primeiros a evidenciarem esse tipo de curiosidade. No espaço de cinco séculos, na passagem dos períodos arcaico (séculos VI e V a.C.), clássico (séculos V e IV a.C.) e helenístico (séculos IV, III e II a.C.) da civilização helênica, os gregos produziram uma miríade de atividades intelectuais: ciência, filosofia, retórica, literatura, arte e política, criando um dos processos mais espetaculares da história da humanidade, o qual estabeleceu os padrões gerais da modernidade.


1.1. O Período Arcaico – As escolas pré-socráticas (séculos VI e V a.C.)

A civilização ocidental, que brotou das fontes gregas, baseia-se numa tradição filosófica e científica que remonta à cidade de Mileto, cerca de 2.600 anos atrás.

Dentro dessa tradição, vejamos a história da geometria. O termo é composto de duas palavras gregas: geos (terra) e metron (medida). Essa denominação deve a sua origem à necessidade que, desde os tempos remotos, o ser humano teve de medir terrenos.

Ainda que muitos conhecimentos de natureza geométrica tenham surgido em civilizações mais antigas, como a egípcia, a babilônica, a chinesa ou a hindu, a geometria, como ciência dedutiva e campo especulativo, teve seu início com os filósofos científicos milésios na Grécia Antiga.

Dentre muitos outros, três famosos problemas da geometria são invenções gregas: a duplicação do cubo (a construção de um cubo cujo volume seja o dobro do de outro cubo pré-existente), a quadratura do círculo (a construção de um quadrado com área igual à de determinado círculo) e a trissecção de um ângulo (a divisão de um ângulo em três ângulos de mesma medida).

Tanto o par filosofia/ciência como a primeira escola filosófica científica, de acordo com a tradição, surgiram em Mileto. Os representantes da escola milésia são Tales, Anaximandro e Anaxímenes.

$\longrightarrow$ Leia o artigo: Os Primeiros Matemáticos

Tales de Mileto (624-546 a.C.) foi o primeiro filósofo ocidental de que se tem notícia. Ele é o marco inicial da filosofia ocidental. Apontado como um dos sete sábios da Grécia Antiga e o fundador da Escola Jônica, foi considerado também o primeiro filósofo da physis (natureza), porque outros, depois dele, seguiram seu caminho buscando o princípio da constituição e funcionamento da natureza.

Tales considerava a água como sendo a origem de todas as coisas. E seus seguidores, embora discordassem da substância primordial que constituía a essência do universo, concordavam com ele no que dizia respeito à existência de um princípio único para essa natureza primordial.

Na geometria, o Teorema de Tales afirma que quando duas retas transversais cortam um feixe de retas paralelas, as medidas dos segmentos correspondentes determinados nas transversais são proporcionais.  Sobre Tales, Bertrand Russell afirma que:

"... é certo que ele aplicou o método do polegar, usado pelos egípcios para determinar a altura de uma pirâmide, a fim de descobrir a distância de navios e de outros objetos inacessíveis. Isso indica que ele tinha noção de que as regras geométricas são de aplicação geral. Esta noção do geral é original e grega."

Enfim, Tales usou propriedades de figuras geométricas para a determinação de distâncias sobre a superfície terrestre.
teorema-de-tales-feixe-de-retas-paralelas-dividem-segmentos-em-partes-proporcionais
Anaximandro de Mileto (610-546 a.C.) foi discípulo de Tales. Atribui-se a ele a confecção de um mapa do mundo habitado, a introdução do uso do Gnômon (relógio solar) na Grécia, a medição das distâncias entre as estrelas e o cálculo de sua magnitude, sendo, assim, o iniciador da astronomia grega.

Anaximandro acreditava que o princípio de tudo é uma coisa chamada ápeiron (ilimitado), que é algo infinito tanto no sentido quantitativo (externa e espacialmente) quanto no sentido qualitativo (internamente). Esse ápeiron é algo insurgido (não surgiu nunca, embora exista) e imortal.
representacao-conjectural-do-mapa-de-anaximandro
Anaxímenes de Mileto (585-525 a.C.), discípulo e continuador da escola milésia, concordava com Anaximandro quanto ao ápeiron e às características desse princípio. Postulava, no entanto, que o ápeiron fosse o ar. Enquanto Tales sustentava a ideia de que a água é o elemento fundamental de toda a matéria, Anaxímenes dizia que tudo provém do ar e retorna ao ar.

$\longrightarrow$ Leia o artigo: Uma breve Hisstória da Química

Entre os gregos, foi Pitágoras (580/572-500/490 a.C.), discípulo de Tales, que desenvolveu, pela primeira vez, um interesse pela matemática não ditado fundamentalmente por necessidades práticas. A escola que ele criou associava tudo o que existe na natureza com os números, sendo assim, responsável pelo estudo da geometria (forma) com a aritmética (número).

Pitágoras criou um método de calcular, desenvolvendo um meio de representar os números através de combinações de pontos ou seixos. Por esse método, certas séries aritméticas combinam linhas de seixos, cada uma contendo um a mais do que a anterior. Por exemplo, o tetraktys consistia de quatro linhas e demonstrava que $1+2+3+4=10$. Similarmente, a soma de números ímpares sucessivos dá origem a um número quadrado $(1, 4, 9, 16,\cdots)$, e a soma de números pares sucessivos, a um número oblongo $(2, 6, 12, 20,\cdots)$.
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Na geometria espacial, Pitágoras preocupou-se com o tetraedro, o cubo, o dodecaedro e a esfera. A harmonia das esferas era, para a Escola Pitagórica, a origem de tudo. Em seu mais famoso teorema, atualmente denominado Teorema de Pitágoras, descobriu a proposição de que o quadrado da hipotenusa é igual à soma dos quadrados dos catetos. Ele e seus discípulos usaram certos axiomas ou postulados e, a partir desses, deduziram um conjunto de teoremas sobre as propriedades de pontos, linhas, ângulos e planos.

O estudo de padrões numéricos, que estavam no cerne da matemática pitagórica, dizem respeito aos números figurados. Não deve ter havido um teorema geométrico sobre o triângulo retângulo demonstrado pelos pitagóricos, e sim um estudo das chamadas triplas pitagóricas ou ternos pitagóricos.


1.2. O Período Clássico – A Escola Ateniense (séculos V e IV a.C.)

Sócrates (470-399 a.C.) nada escreveu. A maior parte do que sabemos de sua filosofia devemos, principalmente, a dois de seus discípulos: Xenofonte (427-355 a.C.) e, em especial, Platão (428/427-348/347 a.C.). Em muitas partes das obras de Platão, principalmente nas obras da juventude, é difícil discernir se se trata de pensamento orginalmente socrático ou platônico. Seja como for, pode-se dizer que, na posição de herdeiro de Sócrates e dos pré-socráticos, fundador da Academia e mestre de Aristóteles, Platão produziu uma síntese das lutas doutrinárias das escolas milésia, jônica, pitagórica, eleática e pluralista e fixou uma plataforma no vórtice do pensamento filosófico-científico grego.

Interessou-se muito pela geometria ao longo de seu ensinamento, evidenciando a necessidade de demonstrações rigorosas. No frontispício da Academia, lia-se emblematicamente a inscrição: "Que nenhum desconhecedor da geometria entre aqui."

Platão idealizava os cinco sólidos perfeitos: o cubo (terra), o tetraedro (fogo), o octaedro (ar), o icosaedro (água) e o dodecaedro (elemento que permearia todo o Universo). Devia-se a esses sólidos a explicação de tudo e de como tudo existia no cosmos.
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Em um dos diálogos platônicos, um discípulo pergunta: O que faz Deus?, e Platão responde sabiamente: Deus eternamente geometriza. Uma das essências do pensamento platônico é essa ideia de que Deus é o grande geômetra, Deus geometriza sem cessar, ideia tomada de empréstimo de Pitágoras e retomada por inúmeros pensadores da posteridade, como, por exemplo, Galileu Galilei, quando este diz que a matemática é o alfabeto com que Deus escreveu o universo, ou ainda Stephen Hawking, em seu famoso Uma breve história do tempo, quando diz que entender a estrutura geométrica do cosmos é entender a mente de Deus.

Para Platão, portanto, a verdade só pode ser encontrada no mundo abstrato da razão, habitado por formas geométricas. Assim, a percepção sensorial da realidade é falsa. Somente em nossas mentes existe, por exemplo, o círculo perfeito. Qualquer tentativa de representação do círculo será necessariamente imperfeita.


1.3. O Período Helenístico – A Escola Alexandrina (séculos IV, III e II a.C.)

A geometria chegou a seu ápice na Antiguidade com os geômetras alexandrinos, Euclides, Apolônio e Arquimedes.

Euclides (360-295 a.C.), de origem desconhecida, foi educado em Atenas e frequentou a Academia platônica no período de desenvolvimento da cultura helenística, onde, provavelmente, recebeu os primeiros ensinamentos de matemática dos discípulos de Platão. A convite de Ptolomeu I, governante helenístico do Egito, Euclides mudou-se para Alexandria, cidade fundada por Alexandre Magno no litoral mediterrâneo do Egito e que havia se tornado a nova capital egípcia e o centro econômico e intelectual do mundo helenístico.

Nessa cidade, Euclides, organizando os resultados obtidos por matemáticos anteriores, fundou a escola de matemática da famosa Biblioteca de Alexandria e escreveu sua obra monumental "Stoichia" (Os elementos), que se compunha de 13 volumes dedicados aos fundamentos e ao desenvolvimento lógico e sistemático da geometria, sendo cinco volumes sobre geometria plana, três sobre números, um sobre a teoria das proporções, um sobre incomensuráveis e os três últimos sobre geometria no espaço. Os elementos cobriam toda a aritmética, a álgebra e a geometria conhecidas até então no mundo grego e sistematizavam todo o conhecimento geométrico dos antigos. Intercalava os teoremas já conhecidos com as demonstrações de muitos outros, que completavam lacunas e davam coerência e encadeamento lógico ao sistema criado por Euclides.
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Euclides escreveu ainda A divisão de figuras, que trata da divisão de figuras planas; Os fenômenos, que trata da geometria aplicada à astronomia; Óptica, que trata da geometria dos raios refletidos e dos raios refratados; Introdução harmônica, que trata da música. Outras obras de Euclides perderam-se: Lugares de superfície; Pseudaria; Porismas e As cônicas. Esta, conforme referências de outros autores, tratava de esferas, cilindros, cones, elipsoides, paraboloides, hiperboloides, etc. A geometria euclidiana reinou absoluta até o século XIX, quando foi parcialmente contestada pelos criadores das geometrias não-euclidianas. Depois de Euclides, três outros matemáticos renomados surgiram em Alexandria: Arquimedes, Apolônio e Diocles.

Arquimedes (287-212 a.C.) nasceu em Siracusa, uma cidade-estado da Magna Grécia. Em sua juventude, estudou em Alexandria com Cônon, um dos discípulos de Euclides. Embora na Antiguidade não houvesse ainda uma clara distinção entre matemáticos (geômetras), físicos (cientistas naturais) e filósofos, Arquimedes destacou-se ao longo de sua vida, principalmente, como matemático e inventor. Inventou muitas máquinas, tanto para uso civil (o parafuso de Arquimedes – ou parafuso sem fim – para elevar a água a um plano superior; um planetário para se observar as fases e os eclipses da lua), quanto para uso militar (as catapultas; os guindastes; os espelhos parabólicos incendiários; um engenho que consistia em um bloco com polias e cordas), com os quais a sua cidade, Siracusa, conseguiu resistir às hostes romanas durante mais de dois anos.
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No campo da física, em seu Tratado dos corpos flutuantes, Arquimedes estabeleceu as leis fundamentais da estática e da hidrostática, entre eles o Princípio de Arquimedes: todo corpo mergulhado total ou parcialmente em um fluido sofre um empuxo vertical, dirigido de baixo para cima, igual ao peso do volume do fluido deslocado, e aplicado no centro de impulsão. O centro de impulsão é o centro de gravidade do volume, que corresponde à porção submersa do corpo. Isso quer dizer que, para o objeto flutuar, o peso da água deslocada pelo objeto tem de ser maior que o próprio peso do objeto.

Em mecânica, atribui-se a ele, além do parafuso sem fim, a roda dentada, a roldana móvel, o sarilho e a alavanca. Em relação a sua descoberta do princípio da alavanca, teria dito: "Deem-me uma alavanca e um ponto de apoio e eu moverei o mundo".
alavanca-de-arquimedes-archimedes-ponto-de-apoio-moverei-o-mundo
Em geometria e matemática, Arquimedes fez descobertas importantes. No tratado Sobre as medidas do círculo, inscreveu e circunscreveu um polígono de 96 lados em um dado círculo, obtendo a fórmula para o cálculo da área dessa figura. Dessa forma, criou um método para calcular o valor do número $\pi$ (a razão entre o perímetro de uma circunferência e seu diâmetro) com maior precisão.

$\longrightarrow$ Leia o artigo: Uma breve cronologia de $\pi$

No tratado A quadratura da parábola , demonstrou que a área contida por um arco de parábola e uma reta secante é $4/ 3$ da área do triângulo com a mesma base e cujo vértice é o ponto onde a tangente à parábola é paralela à base. No tratado Sobre as espirais, descreveu a curva hoje conhecida como A Espiral de Arquimedes e pela primeira vez determinou a tangente a uma curva que não seja o círculo. Também aperfeiçoou o sistema grego de numeração, criando uma notação cômoda para os números muito grandes, semelhante ao atual sistema exponencial. Apresentou ainda os primeiros conceitos de limite e cálculo diferencial, cerca de 19 séculos antes de Isaac Newton e Gottfried Leibniz.

Apolônio de Perga (262-190 a.C.) foi outro pensador grego da escola alexandrina. Conhecido como o grande geômetra, Apolônio é considerado um dos mais originais matemáticos gregos no campo da geometria. Viveu durante os últimos anos do século III e primeiros do século II a.C.. Ainda jovem, deixou Perga e foi para Alexandria, atraído por seu museu e sua biblioteca. Estudou, aí, com os sucessores de Euclides.

Apolônio é autor do tratado As cônicas, composto por oito livros, nos quais demonstra centenas de teoremas recorrendo aos métodos geométricos de Euclides. Dos oito livros desse tratado, só sobreviveram sete: A seção da relação, A seção do espaço, A seção determinada, As inclinações, Os lugares planos, Os contatos e Okytokion. Nesse tratado, Apolônio mostra, entre outras coisas, que de um único cone podem ser obtidas, além do círculo, três outras espécies de seções cônicas, bastando para tal fazer variar a inclinação do plano de corte: a parábolaé a curva que se obtém ao cortar uma superfície cônica com um plano paralelo à sua geratriz; a elipseé a curva que se obtém ao cortar uma superfície cônica com um plano que não é paralelo a nenhuma das geratrizes; a hipérboleé a curva que se obtém ao cortar uma superfície cônica com um plano paralelo às duas geratrizes.
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Apolônio utiliza pela primeira vez os termos parábola, elipse e hipérbole para designar essas curvas, posto que, para a tradição pitagórica, o termo elipse era usado quando um retângulo de área dada era aplicado a um segmento que lhe faltava um quadrado; o termo hipérbole era usado quando a área excedia o segmento; o termo parábola era usado quando não havia nem excesso nem falta.

As seções cônicas desempenham papel relevante na física e na matemática atual. Por exemplo, as órbitas dos planetas são elipses, a trajetória dos foguetes balísticos são parábolas, os espelhos dos telescópios são parabólicos, etc. Parece que, desde As cônicas, só se descobriram novas propriedades cônicas no século XIX, quando as elipses, as parábolas e as hipérboles começaram a ser estudadas na geometria projetiva.

$\longrightarrow$ Leia o artigo: O Teorema de Papus

Somente duas obras de Apolônio conservaram-se até nós: As cônicas, e Dividir segundo uma razão. Esta é constituída por dois livros, nos quais Apolônio resolve o seguinte problema: dadas duas retas e um ponto em cada uma, traçar por um terceiro ponto dado uma reta que corte sobre as retas dadas segmentos que estejam numa razão dada.

Diocles (240-180 a.C.) era contemporâneo de Apolônio de Perga. É tido como o primeiro a provar a propriedade focal da parábola. Criou a curva conhecida por Cissoide de Diocles, a qual era usada para resolver o problema da duplicação do cubo.

2. O mundo moderno: a fundação da geometria analítica

Por vários séculos, todo o conhecimento filosófico-científico grego sobre a geometria, desenvolvido entre os séculos VI e II a.C. por gerações de pensadores mistura de matemáticos (geômetras), físicos (cientistas naturais) e filósofos, permaneceu praticamente inalterado. O mundo medieval europeu optou pela filosofia aristotélica, purgando-a e filtrando-a com o olhar da religião cristã e adequando-a às necessidades de seu tempo histórico, e nada, ou quase nada, salvo engano, acrescentou aos desenvolvimentos geométricos gregos. A geometria avançou muito pouco desde o final da era grega até a Idade Média.

$\longrightarrow$ Leia o artigo: A baixa produção científica na Idade Média

Foi a partir do Renascimento que começou a ocorrer um resgate da ciência grega, eclipsada até aquele momento. Por volta desse período, os séculos XIV, XV e XVI, exatamente na passagem do Feudalismo para o Ancien Régime, ou do mundo medieval para o mundo moderno, diversos matemáticos retomam os estudos sobre a geometria.

É o caso, por exemplo, de Leonardo Fibonacci (1170-1240), que, em 1220, já no século XIII, escreve sua obra Practica geometriae, uma coleção sobre trigonometria e geometria, que aborda as teorias de Euclides e o Teorema de Pitágoras.

Outro caso é o de Johannes Kepler (1571-1630), matemático e astrônomo alemão, que formulou as três leis fundamentais da mecânica celeste, hoje conhecidas como Leis de Kepler, e dedicou-se também ao estudo da óptica. Kepler conhecia tanto o sistema planetário de Ptolomeu (85-165) quanto o de Nicolau Copérnico (1473-1543). Em 1596, publicou Mysterium cosmographicum , em que expôs argumentos favoráveis às hipóteses heliocêntricas de Copérnico.

$\longrightarrow$ Leia o artigo: O modelo geocêntrico de Ptolomeu

Seguindo as observações do astrônomo dinamarquês, Tycho Brahe (1546-1601), Kepler formulou, em sua obra Astronomia nova, de 1609, suas três célebres leis do movimento planetário, que desafiavam a astronomia e a física de Aristóteles e Ptolomeu:
  1. as órbitas dos planetas não são circunferências, como se supunha até então, mas sim elipses com o Sol em um dos focos;
  2. os planetas movem-se com velocidades diferentes, dependendo da distância a que estão do Sol;
  3. existe uma relação entre a distância do planeta e o tempo que ele demora para completar uma revolução em torno do Sol. Portanto, quanto mais distante estiver do Sol mais tempo levará para completar sua volta em torno dessa estrela.
Essas leis mudaram a astronomia e a física. Em 1615, Kepler publicou a influente obra Nova stereometria doliorum vinariorum (Nova estereometria de barris de vinho), que trata do cálculo do volume de recipientes, como os barris de vinho ou azeite.

$\longrightarrow$ Leia o artigo: Como Kepler quase descobriu o Cálculo

Nessa retomada da geometria grega pelos modernos, Bertrand Russel afirma que Platão surge como o precursor da principal tradição da ciência moderna. O ponto de vista de que tudo pode ser reduzido à geometria é explicitamente sustentado por Descartes e, de modo diferente, por Einstein. Essa retomada renascentista do pensamento científico platônico destrona a tradição medieval de um aristotelismo purgado pelo cristianismo.

Os filósofos matemáticos gregos ocuparam-se, de modo especial, com a unificação da aritmética e da geometria, problema que René Descartes (1596-1650), por volta de 2000 anos depois, em 1637, resolveu com brilhantismo, ao forjar uma conexão entre a geometria e a álgebra, demonstrando como aplicar os métodos de uma disciplina na outra. Nesse ano, Descartes publicou três pequenos ensaios: La dioptrique, Les météores e La géométrie precedidos dos Discours de la méthode pour bien conduire sa raison et chercher la vérité à travers le sciences. No ensaio, La géométrie, o Descartes criou os fundamentos da geometria analítica, com a qual ele pôde representar as figuras geométricas através de expressões algébricas.

Historicamente, se os matemáticos gregos usaram figuras geométricas para resolver equações (álgebra geométrica), os matemáticos modernos do século XVII, em especial René Descartes e Pierre de Fermat, a partir da herança grega, seguiram o caminho inverso, traduzindo as relações geométricas por equações (geometria analítica). Descartes e Fermat, para a formulação da moderna geometria analítica, debruçaram-se sobre os trabalhos do matemático francês, François Viète (1540-1603), para compreender a análise que os gregos tinham feito da geometria e, usando as mesmas técnicas de base de Viète, para relacionar álgebra e geometria.


Comumente, René Descartes é o nome mais lembrado quando se pensa na fundação da geometria analítica na primeira metade do século XVII. Não podemos nos esquecer, entretanto, de que outro francês, Pierre de Fermat (1601-1665), contemporâneo de Descartes, foi também um pensador responsável por esse grande avanço científico que resultou na geometria analítica. Curiosamente, Descartes e Fermat não trabalharam juntos.

$\longrightarrow$ Leia oa artigo: A Geometria Analítica, Fermat e Descartes

Independentemente de Descartes, Fermat descobriu os princípios fundamentais da geometria analítica. Em ciência, a geometria analítica é um dos muitos casos de descobertas simultâneas e independentes, assim como o Cálculo por Newton e Leibniz. O que não deixa de ser um fenômeno particularmente espantoso, comparável ao paralelismo expresso pela saída do neolítico das civilizações suméria e egípcia: quase simultaneamente nasce uma mesma teoria notável a partir dos cérebros de dois matemáticos que não se comunicavam entre si. Parece que Descartes foi movido por razões filosóficas, e Fermat, por seu grande entusiasmo pela matemática.

O interesse de Fermat pela matemática foi possivelmente despertado pela leitura de uma tradução latina da Aritmética, do matemático alexandrino Diofanto (200/214-284/298), conhecido como o pai da álgebra. Essa é uma das obras sobreviventes da Biblioteca de Alexandria, queimada pelos árabes em 646 d.C.

$\longrightarrow$ Leia o artigo: A regra de sinais, segundo Diofanto

O legado de Fermat é composto por contribuições inestimáveis nas mais diversas áreas da matemática: cálculo geométrico e infinitesimal; teoria dos números (ramo da matemática que estuda as propriedades dos números); e, juntamente com Blaise Pascal (1623-162), foi um dos fundadores da Teoria da Probabilidade.

Fermat obtinha, com seus cálculos, as áreas de seções de parábolas e hipérboles, determinava o centro de massa de vários corpos, etc. O próprio Isaac Newton (1643-1727) disse em uma nota que seu cálculo, antes tido como uma invenção independente, fora baseado no método de Fermat para estabelecer tangentes.

O mais famoso teorema de Fermat, conhecido como Último Teorema de Fermat, versa sobre a teoria dos números. O teorema fora escrito pelo próprio autor às margens do Aritmética de Diofanto, seguido da seguinte frase: "Eu tenho uma demonstração realmente maravilhosa para esta proposição, mas esta margem é muito estreita para contê-la".

O Último Teorema de Fermat afirma que não existe soluções inteiras para a equação $a^n+b^n=c^n$, para $n >2$.

A contribuição de Fermat à geometria analítica encontra-se num pequeno tratado intitulado Ad locus planos et solidos isagoge (Introdução aos lugares planos e sólidos) e data, no máximo, de 1636, mas que, pelo fato de o matemático ser modesto e avesso à publicação de seus trabalhos, só foi publicado postumamente em 1679, junto com o restante de sua obra. Disso resulta, em parte, o fato de Descartes ser mais comumente lembrado que Fermat como o criador da geometria analítica.

Portanto, tradicionalmente, a geometria analítica é tida como uma invenção primordialmente cartesiana, a partir da obra La Géométrie, de 1637, tradição que, em certa medida, ofuscou, e relegou a segundo plano, a contribuição de Pierre de Fermat, a partir de sua obra, Introdução aos lugares planos e sólidos, de 1636, mas só publicada em 1679.

Ronda a pergunta: quem é merecedor do título de fundador da geometria analítica? Embora esse ramo da matemática tenha se desenvolvido, sobretudo, sob a influência da obra La Géométrie, de Descartes, essa não pode ser considerada a primeira obra sobre o assunto. Essa controvérsia tem seus méritos autorais e históricos, mas não é, do ponto de vista do conhecimento geométrico, a questão mais interessante sobre o assunto. Talvez, tendo em vista a consideração de que ambos os autores foram co-fundadores da geometria analítica, seria mais estimulante explorar as diferenças nas estratégias utilizadas por cada um deles para o avanço científico nesse ramo da geometria.

Concatenando a simbiose de álgebra e geometria, a geometria analítica ensina a representar entes geométricos (pontos, retas, circunferências, etc.) por meio de entes algébricos (números, equações, etc.). Tornou-se possível, doravante, resolver facilmente, através da álgebra e da aritmética, problemas que eram muito difíceis à luz da geometria pura até então conhecida.

Referências:

Como determinar o ângulo entre duas retas utilizando suas equações reduzidas

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Veremos neste artigo como determinar o ângulo entre duas retas a partir de suas equações reduzidas. Para isso, utilizaremos conceitos fundamentais, como o coeficiente angular e a fórmula da tangente da diferença entre dois ângulos, encontrando uma fórmula prática que facilita o cálculo. 

Sejam duas retas concorrentes em um ponto $P$, cujas equações reduzidas são iguais a:
$$
\begin{cases}
r:\ y = a_1x+b_1\\
s:\ y = a_2x+b_2
\end{cases}
$$
Podemos representar graficamente como:
esquema-como-determinar-o-angulo-entre-duas-retas-utilizando-suas-equcoes-reduzidas
A figura representa o ângulo $\theta$ definido pelas retas $r$ e $s$, dado por:
$$
\theta = \alpha - \beta
$$
Para encontrar uma fórmula que expresse o ângulo $\theta$ em função de $\alpha$ e $\beta$, podemos utilizar a fórmula da tangente da diferença entre arcos, dada por:
$$
\text{tg}(\theta) = \text{tg}(\alpha - \beta) = \frac{\text{tg}(\alpha) - \text{tg}(\beta)}{1 + \text{tg}(\alpha)\ \text{tg}(\beta)}
$$
A escolha de utilizar a fórmula da tangente da diferença não é mero acaso. Tendo em vista que utilizaremos as equações reduzidas das retas, os coeficientes $a_1$ e $a_2$ representam os coeficientes angulares das retas, ou seja, suas inclinações, que é o mesmo que calcular as tangentes dos ângulos $\alpha$ e $\beta$ formados pelas retas e o eixo dos $x$. Assim, temos que:
$$
\begin{cases}
\text{tg}(\alpha) = a_1\\
\text{tg}(\beta) = a_2
\end{cases}
$$
Substituindo na fórmula da tangente da diferença, obtemos:
$$
\text{tg}(\theta) = \frac{a_1 - a_2}{1 + a_1\cdot a_2}
$$
Particularmente, se as retas forem paralelas ou coincidentes, elas determinam um ângulo nulo, uma vez que, se $a_1=a_2$, então $\text{tg}(\theta) = 0$ e, assim $\theta =0$. Por outro lado, se as retas forem perpendiculares, teremos $a_1 \cdot a_2 = -1$ e, consequentemente, o valor de $\text{tg}(\theta)$ não existe, pois ocorre uma divisão por zero.

Exemplo:

Dadas as retas $r:\ y=2x+1$ e $\displaystyle s:\ y=\frac{x}{3}-1$, vamos determinar um dos ângulos entre elas.
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O coeficiente angular da reta $r$ vale $2$ e o coeficiente angular da reta $s$ vale $\displaystyle \frac{1}{3}$. Assim:
$$
\text{tg}(\theta) = \frac{\displaystyle 2 - \frac{1}{3}}{\displaystyle 1 + 2 \cdot \frac{1}{3}}\\
\ \\
\displaystyle \text{tg}(\theta) = \frac{\displaystyle \frac{5}{3}}{\displaystyle \frac{5}{3}}\\
\ \\
\text{tg}(\theta) = \frac{5}{3} \cdot \frac{3}{5}\\
\ \\
\text{tg}(\theta) = 1
$$
O arco cuja tangente vale $1$ é o arco de $45°$, ou $\displaystyle \frac{\pi}{4}$.

Veja mais:

Como descrever uma circunferência passando por 3 pontos dados utilizando régua e compasso

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Podemos traçar uma circunferência passando por três pontos não colineares utilizando régua e compasso. O problema se resume a determinar o centro da circunferência a partir dos pontos dados.

Sejam 3 pontos $A$, $B$ e $C$:
como-descrever-uma-circunferencia-passando-por-3-pontos-dados

Para descrevermos uma circunferência que passe por esses pontos, temos primeiro que encontrar seu centro. Para isso, traçamos as cordas $\overline{AB}$ e $\overline{BC}$, ou seja, segmentos que unem esses dois pontos:
como-descrever-uma-circunferencia-passando-por-3-pontos-dados

Em seguida, traçamos as mediatrizes dessas cordas. Para encontrar a mediatriz do segmento $\overline{AB}$, descrevemos dois arcos com raios iguais, um com centro em $A$ e outro em $B$,  e traçamos um segmento passando por suas intersecções. Para encontrar a mediatriz do segmento $\overline{BC}$, repetimos o processo.

O ponto de encontro das mediatrizes é o centro $O$ da circunferência que passa pelos três pontos. A justificativa é que o encontro das mediatrizes está equidistante dos pontos $A$, $B$ e $C$:
como-descrever-uma-circunferencia-passando-por-3-pontos-dados

Com centro em $O$ e raio igual à distância a qualquer um dos pontos, ou seja, $\overline{OA}$, $\overline{OB}$ ou $\overline{OC}$, descrevemos a circunferência desejada:
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Veja mais:


Uma forma de visualizar equações matemáticas

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Uma equaçãoé uma sentença matemática que apresenta uma igualdade e contém pelo menos uma incógnita, ou seja, um termo cujo valor é desconhecido. Por exemplo:
$$
\Large \underbrace{x+1}_{\text{1º membro}} = \underbrace{3}_{\text{2º membro}}
$$
O símbolo de igualdade $(=)$ indica que o 1º membro possui o mesmo valor do 2º membro. Dizemos então que $x+1$ é igual a $3$. Ou seja, que a quantidade $x+1$ deve ser igual a $3$. O problema se resume em encontrar um valor para $x$ que, somado a $1$, seja igual a $3$.

Uma forma de pensar a solução é fazer uma analogia a uma balança de pratos, onde a quantidade $x+1$ está em equilíbrio com a quantidade $3$.
representacao-de-equacoes-balanca-de-pratos-x+1=3
Para descobrirmos o valor de $x$, temos que pensar uma forma de isolar $x$. Se subtrairmos $1$ apenas do lado esquerdo, a balança ficará desequilibrada:
representacao-de-equacoes-balanca-de-pratos-desequilibrada
Para manter o equilíbrio, devemos subtrair $1$ de ambos os membro da igualdade:
representacao-de-equacoes-balanca-de-pratos-resolucao
Com isso, resolvemos o problema, encontrando o valor de $x=2$ como solução para a equação $x+1=3$:
$$
x+1=3\\
\ \\
2+1=3\\
\ \\
3=3
$$

1) O triângulo aditivo

Podemos pensar outras formas para visualizar equações. Se tivermos uma operação simples envolvendo 3 quantidades, por exemplo $a+b=c$, podemos criar uma representação em forma de triângulo:
representacao-de-equacoes-triangulo-aditivo-01

As arestas do triângulo possuem setas indicando o sentido em que vamos ler o problema contendo a operação envolvida. Os vértices do triângulo contém as quantidades envolvidas.

Podemos ler a relação de 3 formas possíveis, tendo em vista que a regraé seguir uma aresta entre duas quantidades no sentido da seta, cuja soma ou diferença seja igual à quantidade restantes. Assim, temos:

Forma 1: $a+b=c$ ou $b+a=c$. A aresta entre $a$ e $b$ possui setas em ambos os sentidos

Forma 2: $c-a=b$. A aresta entre $c$ e $a$ possui uma seta no sentido de $c$ para $a$.

Forma 3: $c-b=a$. A aresta entre $c$ e $b$ possui uma seta no sentido de $c$ para $b$.

Se pensarmos no método da balança de pratos, obteríamos os mesmo resultado.

Então, se tivermos a equação $x+1=3$, podemos representar como:
representacao-de-equacoes-triangulo-aditivo-x+1-igual-3
$$
\begin{cases}
x+1=3\quad \text{ou} \quad 1+x=3\\
\ \\
3-x=1\\
\ \\
3-1=x
\end{cases}
$$
Neste caso, se tomarmos a terceira opção, encontraremos facilmente o valor de $x$:
$$
3-1=x\\
\ \\
2=x
$$
Logo, para que a sentença $x+1=3$ seja verdadeira, $x$ deve ser igual a $2$.

Se em ambos os membros da equação contiver operações, como por exemplo $a+b=c+d$, podemos representar como:
representacao-de-equacoes-triangulo-aditivo-a+b-igual-c+d
Para quaisquer valores de $a+b$ e de $c+d$, a igualdade é representada pelo encontro dos vértices dos triângulos:
$$
\begin{cases}
a+b=c+d\\
\ \\
a+b-d=c\\
\ \\

a+b-c=d\end{cases}
$$
Vamos considerar o exemplo numérico $1+x=1+4$:
representacao-de-equacoes-triangulo-aditivo-1+x-igual-3+4
$$
3+4-1=x\\
\ \\
7-1=x\\
\ \\
6=x
$$

2) O triângulo multiplicativo

Analogamente, podemos criar uma representação para equações que envolvam multiplicação e divisão:
representacao-de-equacoes-triangulo-multiplicativo
Assim, podemos ler a relação entre as quantidades $a$, $b$, $c$ e $d$ como:
$$
\begin{cases}
a\cdot b = c \quad \text{ou} \quad b\cdot a = c\\
\ \\
c \div a = b\\
\ \\

c \div b = a\end{cases}
$$
Se tivermos a equação $2x=6$, por exemplo, podemos representar a equação como:
representacao-de-equacoes-triangulo-multiplicativo-2x-igual-6
$$
\begin{cases}
2\cdot x = 6\\
\ \\
6 \div x = 2\\
\ \\

6 \div 2 = x\end{cases}
$$
Tomando a terceira representação, obtemos:
$$
6 \div 2 = x\\
\ \\
3=x
$$
Logo, para que $2x=6$ seja verdadeira, $x$ deve ser igual a $3$.

Se em ambos os membros da equação contiver multiplicações, como por exemplo $2x=3y$, podemos representar como:
representacao-de-equacoes-triangulo-multiplicativo-2x-igual-3y
Assim:
$$
\begin{cases}
2x=3y\\
\ \\
\displaystyle \frac{2x}{3}=y\\
\ \\

\displaystyle \frac{2x}{y}=3\\
\ \\
\displaystyle \frac{3y}{x}=2\\
\ \\
\displaystyle \frac{3y}{2}=x\end{cases}
$$
Como a equação envolve duas incógnitas, $y$ fica em função de $x$ ou $x$ em função de $y$. Isso quer dizer que o valor de $x$ depende do valor de $y$. Se adotarmos $y=4$, teremos:
$$
\frac{3y}{2}=x\\
\ \\
\frac{3\cdot 4}{2}=x\\
\ \\
\frac{12}{2}=x\\
\ \\
6=x
$$

3) Mesclando triângulos aditivos e multiplicativos

Uma situação possível envolvendo somas e produtos pode ser representada como:
representacao-de-equacoes-mesclando-triangulo-aditivo-multiplicativo
Podemos relacionar $x$, $y$, $a$ e $b$ como:
$$
\begin{cases}
a\cdot x + b = y\\
\ \\
a\cdot x - y = -b\\
\ \\

(y-b)\div x = a\\
\ \\
(y-b)\div a=x\end{cases}
$$
Como exemplo, se tivermos a equação $2x+5=y$, podemos representar como:
representacao-de-equacoes-mesclando-triangulo-aditivo-multiplicativo-2x+5-igual-5
Outras representações:
$$
\begin{cases}
2x-y=-5\\
\ \\
(y-5)\div x = 2\\
\ \\

(y-5) \div 2=x\end{cases}
$$

4) A propriedade associativa da adição

A propriedade associativa da adição diz que em uma adição com 3 ou mais parcelas, a ordem em que as somas forem realizadas não altera o resultado.
$$
(a+b)+c = a+(b+c) = (a+c)+b
$$
Podemos pensar uma representação como:
representacao-de-equacoes-propriedade-associativa-adicao
$$
(a+b)+c = (b+c)+a
$$

5) Propriedade distributiva da multiplicação

A propriedade distributiva da multiplicação é uma regra matemática que diz que, quando um número é multiplicado por uma soma (ou subtração), o resultado será o mesmo que a soma (ou subtração) de cada parcela multiplicada por esse número:
$$
a(b+c) = ab+ac
$$
Podemos pensar uma representação como:
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Referências:



Vejam mais:


Representação de intervalos de números reais

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A notação de intervalosé utilizada para representar subconjuntos de números reais. Devido à sua simplicidade e clareza é muito utilizada em tópicos de álgebra, cálculo e análise matemática para descrever conjuntos de números que satisfazem determinadas condições. Veremos nesse artigo os tipos de intervalos, como representá-los e exemplos de aplicações.

1. O que é um intervalo?

Um intervalo é um conjunto de números reais que inclui todos os valores entre limites determinados. Esses limites são chamados de extremos, podendo ou não pertencer ao conjunto.

Quando queremos representar um conjunto de números reais, basicamente utilizamos duas notações principais:

a) Notação de intervalo: utilizamos os símbolos de parênteses $(\ \ )$ e de colchetes $[\ \ ]$ para indicar se os extremos do intervalos estão incluídos ou não.

b) Notação de desigualdade: utilizamos os símbolos $<$, $>$, $\leq$ e $\geq$ para expressar os limites do intervalo.

Podemos utilizar uma representação gráfica na retal real a fim de visualizar o intervalo em questão.  Para isso, desenhamos uma reta horizontal com setas em seus extremos, convencionada que os números aumentam da esquerda para a direita. Os limites do intervalos são representados por bolinhas abertas ou fechadas para indicar, respectivamente, se os extremos pertencem ou não ao conjunto numérico.

2. Tipos de intervalos

Os intervalos podem ser abertos, fechados, semiabertos ou semifechados.

2.1. Intervalo fechado

Um intervalo fechado inclui todos os números entre dois extremos incluindo os próprios extremos. Representamos utilizando colchetes "virados para dentro".

Notação: $[a,b]$.

Representação: $\{ x \in \mathbb{R}\ | \ a\leq x \geq b \}$.

Como se lê: Xis pertence ao conjunto dos números reais tal que, xis é maior ou igual a $a$ e menor ou igual a $b$.

Exemplo: $[2,5]$ representa todos os números reais entre $2$ e $5$ incluindo os próprios extremos $2$ e $5$.

Representação na reta real: Podemos representar o intervalo na reta real como:
representacao-de-intervalos-de-numeros-reais-intervalo-fechado

2.2. Intervalo aberto

Um intervalo aberto inclui todos os números entre dois extremos, mas não inclui os próprios extremos. Representamos utilizando parênteses "virados para dentro" ou colchetes "virados para fora".

Notação: $(a,b)$.

Representação: $\{ x \in \mathbb{R}\ | \ a < x < b \}$.

Como se lê: Xis pertence ao conjunto dos números reais tal que, xis è maior que $a$ e menor que $b$.

Exemplo: $(2,5)$ ou $]a,b[$ representam todos os números reais entre $2$ e $5$, sem incluir os extremos $2$ e $5$.

Representação na reta real: Podemos representar o intervalo na reta real como:
representacao-de-intervalos-de-numeros-reais-intervalo-aberto

2.3. Intervalo semiaberto ou semi-fechado

Um intervalo semiaberto ou semi-fechado inclui todos os números entre dois extremos, incluindo apenas um dos extremos. Representamos utilizando uma combinação de colchetes e parênteses "virados para dentro" ou ainda de colchetes virados para dentro e para fora, dependendo de qual extremos será incluído ou excluído.

2.3.1. Intervalo fechado à esquerda e aberto à direita

Notação: $[a,b)$ ou $[a,b[$.

Representação:  $\{ x \in \mathbb{R} \ | \ a \leq x < b \}$

Como se lê: Xis pertence ao conjunto dos números reais tal que, xis é maior ou igual a $a$ e menor que $b$.

Exemplo: $[2,5)$ ou $[2,5[$ representam todos os números reais entre $2$ e $5$, incluindo apenas o extremo $2$.

Representação na reta real: Podemos representar o intervalo na reta real como:
representacao-de-intervalos-de-numeros-reais-intervalo-fechado esquerda-aberto-direita

2.3.2. Intervalo aberto à esquerda e fechado à direita

Notação: $(a,b]$ ou $]a,b]$.

Representação:  $\{ x \in \mathbb{R} \ | \ a < x \geq b \}$

Como se lê: Xis pertence ao conjunto dos números reais tal que, xis é maior que $a$ e menor ou igual a $b$.

Exemplo: $(2,5]$ ou $]2,5]$ representam todos os números reais entre $2$ e $5$, incluindo apenas o extremo $5$.

Representação na reta real: Podemos representar o intervalo na reta real como:
representacao-de-intervalos-de-numeros-reais-intervalo-aberto-esquerda-fechado-direita

2.4. Intervalos infinitos

Quando um intervalo se estende indefinidamente à esquerda ou à direita ou em ambos os sentidos, utilizamos o símbolo do infinito acompanhado de parênteses ou de colchetes virados para fora.

2.4.1. Intervalo fechado à esquerda e infinito à direita

Notação: $[a,\infty )$ ou $[a,\infty [$.

Representação:  $\{ x \in \mathbb{R} \ | \  x \geq a \}$

Como se lê: Xis pertence ao conjunto dos números reais tal que, xis é maior ou igual a $a$.

Exemplo: $[2,\infty )$ ou $[2, \infty [$ representam todos os números reais maiores que $2$, incluindo o próprio extremo $2$.

Representação na reta real: Podemos representar o intervalo na reta real como:
representacao-de-intervalos-de-numeros-reais-intervalo-fechado-esquerda-infinito-direita

2.4.2. Intervalo aberto à esquerda e infinito à direita

Notação: $(a,\infty )$ ou $]a,\infty [$.

Representação:  $\{ x \in \mathbb{R} \ | \  x > a \}$

Como se lê: Xis pertence ao conjunto dos números reais tal que, xis é maior que $a$.

Exemplo: $(2,\infty )$ ou $]2, \infty [$ representam todos os números reais maiores que $2$.

Representação na reta real: Podemos representar o intervalo na reta real como:
representacao-de-intervalos-de-numeros-reais-intervalo-aberto-esquerda-infinito-direita

2.4.3. Intervalo fechado à direita e infinito à esquerda

Notação: $(-\infty  ,b ]$ ou $]-\infty ,b]$.

Representação:  $\{ x \in \mathbb{R} \ | \  x \leq b \}$

Como se lê: Xis pertence ao conjunto dos números reais tal que, xis é menor ou igual b $a$.

Exemplo: $(-\infty ,5]$ ou $]- \infty ,5]$ representam todos os números reais menores que $5$, incluindo o próprio extremo $5$.

Representação na reta real: Podemos representar o intervalo na reta real como:
representacao-de-intervalos-de-numeros-reais-intervalo-fechado-direita-infinito-esquerda

2.4.4. Intervalo aberto à direita e infinito à direita

Notação: $(-\infty  ,b )$ ou $]-\infty ,b[$.

Representação:  $\{ x \in \mathbb{R} \ | \ x \leq b \} $

Como se lê: Xis pertence ao conjunto dos números reais tal que, xis é menor que $b$.

Exemplo: $(-\infty ,5)$ ou $]- \infty ,5[$ representam todos os números reais menores que $5$.

Representação na reta real: Podemos representar o intervalo na reta real como:
representacao-de-intervalos-de-numeros-reais-intervalo-aberto-direita-infinito-esquerda

3. Operações com intervalos

Operar com intervalos envolve combinar, comparar e manipular esses conjuntos de formas variadas, como união, intersecção, complemento, diferença de intervalos e intervalos complementares.

3.1. União de intervalos

A união de dois intervalos $A$ e $B$, representada por $A\cup B$, corresponde ao conjunto de todos os números pertencentes a $A$, $B$ ou em ambos.

Definição: $A \cup B = \{ x \in \mathbb{R} \ | \ x \in A \text{ ou } x \in B \}$

Exemplo: Se $A=(1,3)$ e $B=[2,5]$, então:
$$
A \cup B = (1,3) \cup [2,5] = (1,5]
$$
O resultado inclui todos os números de 1 a 5 considerando sobreposições.

Para visualizarmos a operação, desenhamos duas retas para representar os conjuntos $A$ e $B$ e logo abaixo outra reta  para representar a união entre eles. Traçamos retas verticais pontilhadas passando por cada bolinha. Em seguida, tomamos todos os pontos que fazem parte tanto de $A$ quanto de $B$. Demos observar que a bolinha sobre o número 1 é aberta, e sobre o número 5 é fechada.
representacao-de-intervalos-de-numeros-reais-uniao-de-dois-intervalos
Assim, a solução é dada por:
$$
A \cup B = (1,3) \cup [2,5] \\
\ \\
A \cup B = (1,5]\\
\ \\
A \cup B = \{x \in \mathbb{R}\ | \ 1< x \leq 5\}
$$

3.2. Intersecção de intervalos

A intersecção de dois intervalos $A$ e $B$, representada por $A \cap B$, corresponde a todos os números que são comuns a ambos os intervalos, ou seja, aos números que aparecem tanto no intervalo $A$ quanto no intervalo $B$.

Definição: $A \cap B = \{ x \in \mathbb{R} \ | \ x \in A \text{ e } x \in B \}$

Exemplo: Se $A=(1,3)$ e $B=[2,5]$, então:
$$
A \cup B = (1,3) \cup [2,5] = [2,3)
$$
O resultado inclui todos os números de 2 a 3 respeitando os extremos de cada intervalo.

Para visualizarmos a operação, desenhamos duas retas para representar os conjuntos $A$ e $B$ e logo abaixo outra reta  para representar a intersecção entre eles. Traçamos retas verticais pontilhadas passando por cada bolinha. Em seguida, tomamos todos os pontos que são comuns aos dois intervalos. Demos observar que a bolinha sobre o número 3 é aberta, e sobre o número 2 é fechada.
representacao-de-intervalos-de-numeros-reais-intersecao-de-dois-intervalos
Assim, a solução é dada por:
$$
A \cap B = (1,3) \cap [2,5] \\
\ \\
A \cap B = [2,3)\\
\ \\
A \cap B = \{x \in \mathbb{R}\ | \ 2 \leq x < 3\}
$$

3.3. Diferença de intervalos

A diferença de dois intervalos $A$ e $B$, representada por $A-B$, corresponde a todos os números que estão em $A$, mas não estão em $B$.

Definição: $A - B = \{ x \in \mathbb{R} \ | \ x \in A \text{ e } x \neq B \}$

Exemplo: Se $A=(1,5]$ e $B=(4,6]$, então:
$$
A - B = (1,5] - (4,6] = (1,4]
$$
O resultado inclui todos os números de 1 a 4, excluindo o extremo 1.

Para visualizarmos a operação, desenhamos duas retas para representar os conjuntos $A$ e $B$ e logo abaixo outra reta  para representar a diferença $A-B$. Traçamos retas verticais pontilhadas passando por cada bolinha. Em seguida, tomamos todos os pontos que estão em $A$ mas não estão em $B$. Devemos observar que a bolinha sobre o número 4 deverá ser fechada, já que o número 4 pertence ao conjunto $A$ mas não pertence ao conjunto $B$.
representacao-de-intervalos-de-numeros-reais-diferenca-de-dois-intervalos
Assim, a solução é dada por:
$$
A - B = (1,5] - (4,6] \\
\ \\
A - B = (1,4]\\
\ \\
A - B = \{x \in \mathbb{R}\ | \ 1 < x \leq 4 \}
$$

3.4. Complementar de um intervalo

O complementar de um intervalo $A$ é o conjunto de números reais que não pertencem a ele. Ou seja, todos os números reais que não pertencem ao conjunto $A$.

A representação do complementar de um intervalo depende de cada autor. Podemos encontrar em livros como $\overline{A}$ ou $A^C$ ou ainda $C^A_{\mathbb{R}}$.

Definição: $A^C = \{ x \in \mathbb{R} \ | \ x =  \mathbb{R} - A\}$.

Exemplo: Se $A=(1,4]$, então o complementar de $A$ é dado por:
$$
A^C = (-\infty , 1] \text{ e } (4, \infty)$$
O resultado inclui todos os números reais excluindo os número entre 1 e 4, mas com o 1 incluído.

Para visualizarmos a operação, desenhamos uma reta para representar o conjunto $A$ e logo abaixo outra reta  para representar o complementar de $A$. Traçamos retas verticais pontilhadas passando por cada bolinha. Em seguida, tomamos todos os pontos que não estão em $A$. Devemos observar que a bolinha sobre o número 4 deverá ser aberta, já que o número 4 pertence ao conjunto $A$, e a bolinha sobre o número 1 deverá ser fechada, já que o número 1 não pertence ao conjunto $A$.
representacao-de-intervalos-de-numeros-reais-complementar-de-um-intervalo
Assim, a solução é dada por:
$$
\overline{A} = (-\infty , 1] \text{ e } (4,\infty)\\
\ \\
\overline{A} = \{ x \in \mathbb{R} \ | \ x\leq 1 \text{ e } x > 4 \}
$$

4. Propriedades importantes das operações

As operações com intervalos seguem propriedades semelhantes às operações com conjuntos. Essas propriedades garantem que as combinações e manipulações de intervalos sejam consistentes e previsíveis.

4.1. Propriedades da união


4.1.1. Comutatividade

A ordem dos intervalos na união não altera o resultado:
$$
A \cup B = B \cup A
$$

4.1.2. Associatividade

A união de três ou mais conjuntos pode ser feita agrupando-os de qualquer maneira:
$$
(A \cup B) \cup C = A \cup (B \cup C)
$$

4.1.3. Identidade

A união de um intervalo com o conjunto vazio não altera o intervalo:
$$
A \cup \emptyset = A
$$

4.1.4. Idempotência

A união de um intervalo consigo mesmo resulta no próprio intervalo:
$$
A \cup A = A
$$

4.2. Propriedades da intersecção


4.2.1. Comutatividade

A ordem dos intervalos na intersecção não altera o resultado:
$$
A \cap B = B \cap A
$$

4.2.2. Associatividade

A intersecção de três ou mais intervalos pode ser feita agrupando-os de qualquer maneira:
$$
(A \cap B)\cap C = A \cap (B\cap C)
$$

4.2.3. Identidade

A intersecção de um intervalo com o conjunto dos números reais $(\mathbb{R})$ não altera o intervalo:
$$
A \cap \mathbb{R} = A
$$

4.2.4. Idempotência

A intersecção de um intervalo consigo mesmo resulta no próprio intervalo:
$$
A \cap A = A
$$

4.2.5. Intersecção com o conjunto vazio:

A intersecção de um intervalo com o conjunto vazio resulta no conjunto vazio:
$$
A \cap \emptyset = \emptyset
$$

4.3. Propriedades combinadas da união e intersecção


4.3.1. Lei da distributividade

A união e a intersecção distribuem-se entre si:
$$
A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C)\\
\ \\
A \cup (B \cap C) = (A \cup B) \cap (A \cup C)
$$

4.3.2. Lei de De Morgan

Essas leis relacionam as operações de união e intersecção com os complementos:
$$
(A \cup B)^C = A^C \cap B^C\\
\ \\
(A \cap B)^C = A^C \cup B^C
$$

4.4. Propriedades da diferença de intervalos 


4.4.1. Identidade

A diferença de um intervalo com o conjunto vazio não altera o intervalo:
$$
A - \emptyset = A
$$

4.4.2. Conjunto vazio

A diferença de um intervalo consigo mesmo resulta no conjunto vazio:
$$
A - A = \emptyset
$$

4.4.3. Inclusão

Se $A \subseteq B$, ou seja, todos os elementos de $A$ está contidos em $B$, a diferença resulta no conjunto vazio:
$$
A - B = \emptyset
$$

4.4.4. Complementação

A diferença de $\mathbb{R}$ com um intervalo $A$ é o complementar de $A$:
$$
\mathbb{R} - A = A^C
$$

4.5. Propriedades do complementar


4.5.1. Complementar do complementar

O complementar do complementar de um intervalo é o próprio intervalo:
$$
(A^C)^C = A
$$

4.5.2. Complementar da união

O complementar da união de dois intervalos é a intersecção dos complementares:
$$
(A \cup B)^C = A^C \cap B^C
$$

4.5.3. Complementar da intersecção

O complementar da intersecção de dois intervalos é a união dos complementos:
$$
(A \cap B)^C = A^C \cup B^C
$$

4.5.4. Complementar do conjunto universal

O complementar do conjunto de todos os números reais $(\mathbb{R})$ é o conjunto vazio:
$$
\mathbb{R} ^C = \emptyset
$$

4.5.5. Complementar do conjunto vazio

O complementar do conjunto vazio é o conjunto de todos os reais:
$$
\emptyset^C = \mathbb{R}
$$

5. Aplicações das operações com intervalos

As operações com intervalos têm aplicações em matemática, ciência, engenharia e outros campos que lidam com relações numéricas, análise de dados ou modelagem. Seguem alguns exemplos.

5.1. Resolução de desigualdades

Ao resolver sistemas de desigualdades, as soluções são frequentemente descritas como intervalos. Operações como união e intersecção ajudam a combinar ou refinar as soluções:

Exemplo: Encontrar a intersecção entre as desigualdades $x>2$ e $x \leq5$.

$x>2 \Longrightarrow (2, \infty)$

$x\leq 5 \Longrightarrow (-\infty , 5]$

A solução é dada por: $(2,5]$.

5.2. Definição de domínio de funções

Muitas vezes, o domínio de uma funçãoé um intervalo (ou uma união de intervalos) delimitado por restrições naturais, como evitar divisões por zero ou raízes de números negativos:

Exemplo: O domínio da função $\displaystyle f(x) = \frac{1}{x-3}$ é $\mathbb{R} - \{3\}$, que pode ser descrito como:
$$
D(f) = \{x \in \mathbb{R} \ | \ x \neq 3 \}
$$
Ou como: $(-\infty , 3) \cup (3, \infty )$.

5.3. Integração e análise em Cálculo

Quando vamos resolver uma integral definida, o intervalo de integração especifica os limites inferior e superior, enquanto a união de intervalos pode ser usada para tratar integrais definidas em domínios particionados.

Exemplo: Para calcular a área sob a curva $f(x)$ nos intervalos $[0,1] \cup [2,3]$, precisamos utilizar a propriedade das integrais que diz: a integral da soma é a soma das integrais. Assim:
$$
\int_0^1 f(x)\ dx + \int_2^3 f(x)| dx
$$

5.4. Modelagem matemática e física

Em problemas de cinemática ou dinâmica, intervalos representam intervalos de tempo ou regiões do espaço onde eventos específicos ocorrem.

Exemplo: Um carro se move com uma velocidade constante $v_1$ em um intervalo $[0,5]$ segundos e depois muda para $v_2$ em $[5,10]$. Esses intervalos podem ser usados para modelar a posição $x(t)$ ao longo do tempo.

5.5. Computação e análise de algoritmos

Em ciência da computação, intervalos são usados para otimização, pesquisa de dados e condições.

Exemplo: No balanceamento de árvores binárias, intervalos ajudam a determinar os valores que podem ser inseridos em cada subárvore.

5.6. Estatística e probabilidade

Intervalos são usados para expressar incertezas em medições e estimativas. Um intervalo de confiança indica a faixa provável de valores para uma estatística populacional.

Exemplo: Um intervalo de confiança de 95% para a média de uma amostra pode ser algo como $[4,5 ; 5,5]$.

5.7. Controle de qualidade e engenharia

Intervalos definem limites aceitáveis para medidas ou propriedades físicas em processos industriais.

Exemplo: Um componente deve ter um comprimento entre $10 \pm 0,2\ cm$, representado pelo intervalo $[9,8 ; 10,2]$.

5.8. Teoria dos conjuntos e topologia

Intervalos são usados para estudar propriedades de conjuntos, como continuidade, densidade e compactação.

Exemplo: Provar que $[a,b]$ é compacto em $\mathbb{R}$ baseia-se na definição de que ele é fechado e limitado.

5.9. Programação linear e otimização

Variáveis em problemas de otimização podem ser restritas a intervalos, representando condições ou limites.

Exemplo: Maximizar uma função objetivo $f(x)$ com a restrição $x \in [0, 10]$.

5.10. Gráficos e representações visuais

Intervalos são usados em gráficos para destacar regiões específicas como domínios de funções ou limites de integração.

Exemplo: Considere a função definida por partes:
$$
f(x) =
\begin{cases}
x^2,& \text{se }& x \in [0,2]\\
\ \\
2x-3,& \text{se }& x \in (2,4]
\end{cases}
$$

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Veja mais:

Prova do vestibulinho de 2025 da Escola Municipal 1º de Maio

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prova-vestibulinho-2025-EM-1-de-maio-guaruja-gabarito-correcao-download-prova-primeiro-de-maio-quimica-guaruja


Resolução das questões de Matemática do processo seletivo para vestibulinho 2025 para da Escola Municipal 1ºde Maio.

A prova contém 35 questões, sendo:
  • 15 questões de Matemática
  • 15 questões de Língua Portuguesa
  • 5 questões de Atualidades

Resolverei aqui apenas as questões de Matemática, mas no final você poderá fazer o download da prova completa e do gabarito.


Questão 1

Joana pagou R$ 137,50 pelo almoço com sua família em um restaurante. Sabendo que nesse valor estão inclusos 10% referente à taxa de serviços, quantos reais Joana pagaria, caso o restaurante não cobrasse essa taxa?

a) R$ 120,50
b) R$ 121,00
c) R$ 122,00
d) R$ 125,00

Resolução:

Como o valor de R$ 137,50é o valor do almoço somado à taxa de 10% de serviço, podemos chamar de $x$ o valor do almoço e equacionar o problema da seguinte forma:
$$
x + 10\% \text{ de } x \text{ é igual a } 137,50
$$
Assim:
$$
x + \frac{10}{100}\ x = 137,50\\
\ \\
x + \frac{1}{10}\ x = 137,50\\
\ \\
x+ \frac{x}{10} = 137,50\\
\ \\
\frac{10x + x}{10} = 137,50\\
\ \\
11x = 1375,00\\
\ \\
x = \frac{1375,00}{11}\\
\ \\
x = 125,00
$$
Logo, a resposta correta é a alternativa d).

Questão 2:

Os números $(a,6,8)$ são diretamente proporcionais aos números $(2,12,b)$. Podemos afirmar, então, que o valor de $a+b$ é igual a:

a) 15
b) 16
c) 17
d) 18

Resolução:

Como os números são diretamente proporcionais, podemos escrever as proporções como:
$$
\frac{a}{2} = \frac{6}{12} = \frac{8}{b}
$$
Para encontrar os valores de $a$ e $b$, tomamos as proporções duas a duas de modo a poder isolar as incógnitas:

Para encontrar o valor de $a$:
$$
\frac{a}{2} = \frac{6}{12}\\
\ \\
12a = 12\\
\ \\
a = 1
$$
Para encontrar o valor de $b$:
$$
\frac{1}{2} = \frac{8}{b}\\
\ \\
b = 16
$$
Encontramos $a=1$ e $b=16$. Logo, a soma $a+b=1+16=17$. Logo, a resposta correta é a alternativa c).

Questão 3:

Em uma seleção, a razão entre o número de homens e mulheres candidatos à vaga é $4/7$. Sabendo que 32 candidatos são do sexo masculino, o número total de participantes na seleção é:

a) 56
b) 72
c) 88
d) 94

Resolução:

Como a proporção entre homens $(H)$ e mulheres $(M)$ é de $\displaystyle \frac{4}{7}$, podemos escrever as proporções como:
$$
\frac{H}{M} = \frac{4}{7}
$$
Como a quantidade homens é de 32, substituímos na proporção acima:
$$
\frac{32}{M} = \frac{4}{7}\\
\ \\
4M = 224\\
\ \\
M = 56
$$
Assim, o total de candidatos é a soma de homens e mulheres:
$$
\text{ Total} = 32 + 56 = 88
$$
Logo, a resposta correta é a alternativa c).

Questão 4

Um supermercado adquiriu detergentes nos aromas de limão e coco. A compra foi entregue embalada em 10 caixas com 24 frascos em cada caixa. Sabendo-se que cada caixa continha 2 frascos de detergentes a mais no aroma de limão do que no aroma de coco, o número de frascos entregues no aroma de limão foi:

a) 120
b) 130
c) 140
d) 150

Resolução:

Vamos chamar os detergentes de limão como $(L)$ e de coco como $(C)$. O total foram 10 caixas com 24 frascos em cada uma, assim: $C+L=24$. E cada caixa possui 2 detergentes de limão a mais que de coco, assim: $L=C+2$. Podemos montar o sistema:
$$
\begin{cases}
C + L = 24\\
\ \\
L = C+2
\end{cases}
$$
Substituímos a segunda equação na primeira:
$$
C + (C+2) = 24\\
\ \\
2C + 2 = 24\\
\ \\
2C = 22\\
\ \\
C = 11
$$
Assim, cada caixa possuí 11 detergentes de coco. Agora, substituímos $C=11$ na segunda equação:
$$
L = C+2\\
\ \\
L = 11 + 2\\
\ \\
L = 13
$$
Assim, cada caixa possui 13 detergentes de limão.

Como foram entregues 10 caixas, logo, multiplicamos a quantidade de caixas pela quantidade de detergentes de limão que cada uma contém:
$$
13 \times 10 = 130
$$
Logo, a alternativa correta é a letra b).

Questão 5

Sobre a equação do segundo grau: $x^2-4x+7 = 0$ é correto afirmar que:

a) Possui duas raízes reais iguais
b) Suas raízes são -7 e 4
c) Suas raízes são negativas
d) Não possui raízes reais

Resolução:

Vamos aplicar a fórmula para equação do segundo grau, conhecida como Fórmula de Bháskara:
$$
x = \frac{-b \pm \sqrt{\Delta}}{2a}
$$
Onde $\Delta = b^2 - 4ac$.

Identificamos os coeficientes: $a=1$ , $b=-4$ e $c=7$ e substituímos na fórmula:
$$
x = \frac{-(-4) \pm \sqrt{(-4)^2 -4\cdot 1 \cdot 7}}{2 \cdot 1}\\
\ \\
x = \frac{4 \pm \sqrt{16 - 28}}{2}\\
\ \\
x = \frac{4 \pm \sqrt{-12}}{2}
$$
Como o discriminante é menor do que zero, a equação não possui raízes no conjunto dos números reais. Logo, a resposta correta é a alternativa d).

Questão 6

Durante os estudos sobre o crescimento de uma determinada árvore, foi possível modelar seu crescimento no decorrer do tempo por meio da função $A(t)= 1+ \log_3(5+t)$, em que $t$ é o tempo em anos e $A(t)$ é a altura em metros. Sendo assim, podemos afirmar que a altura dessa árvore, após 4 anos, será de:

a) 2 metros
b) 2 metros e meio
c) 3 metros
d) 3 metros e meio

Resolução:

A função de crescimento é dada por:
$$
A(t) = 1 + \log_3(5+t)
$$
Como desejamos saber sua altura após 4 anos, substituímos $t=4$ na equação:
$$
A(4) = 1 + \log_3(5+4)\\
\ \\
A(4) = 1 + \log_3 9
$$
Pela definição de logaritmo temos que:
$$
\log_a b = c \Longleftrightarrow a^c = b
$$
Assim:
$$
\log_3 9 = x\\
\ \\
3^x=9\\
\ \\
3^x = 3^2\\
\ \\
x = 2
$$
Assim, $\displaystyle \log_3 9 = 2$. Substituindo de volta, obtemos:
$$
A(4) = 1 + \log_3 9\\
\ \\
A(4) = 1+2\\
\ \\
A(4) = 3
$$
Assim após 4 anos a árvore terá 3 metros de altura. A resposta correta é a alternativa c).


Questão 7

Um terreno, que possui formato quadrado, tem o perímetro de 20 metros. A área desse terreno é de:

a) 16 m²
b) 25 m²
c) 36 m²
d) 49 m²

Resolução:

O perímetro de um quadrado é a soma de seus quatro lados $(P = 4\ \ell)$, onde $\ell$ é a medida de um lado do quadrado. Como o quadrado possui 4 lados iguais, para sabermos quanto mede cada lado, basta dividirmos o perímetro por 4:
$$
\ell = \frac{20}{4} = 5\ m
$$
A área de um quadrado é dada pelo produto de dois de seus lados $(A=\ell \cdot \ell)$:
$$
A = \ell^2\\
\ \\
A = 5^2\\
\ \\
A = 25\ m^2
$$
Assim, o terreno possui $25\ m^2$ de área. A resposta correta é a alternativa b).

Questão 8

Em um sítio há 12 árvores. Cada árvore possui 12 galhos e em cada galho tem 12 maçãs. Quantas maçãs existem no sítio?

a) 144
b) 1224
c) 1564
d) 1728

Resolução:

Primeiro vamos descobrir quantas maçãs cada árvore tem. Se a árvore tem 12 galhos e cada galho tem 12 maçãs, o total de maças da árvore é dada pela multiplicação de maças e galhos:
$$
\text{Total de maçãs por árvore} = 12 \times 12\\
\ \\
\text{Total de maçãs por árvore} = 144\ \text{maçãs}
$$
Como o sítio possui 12 árvores,  temos que multiplicar o total de maçãs por árvore pela quantidade total de árvores:
$$
\text{Total de maçãs no sítio} = 144 \times 12\\
\ \\
\text{Total de maçãs no sítio} = 1728
$$
Assim o total é de 1728 maçãs no sítio. A resposta correta é a alternativa d).


Questão 9

A soma do comprimento das arestas de um cubo é igual a 48 cm. Então, o volume desse cubo, em centímetros, é igual a:

a) 27
b) 32
c) 64
d) 125

Resolução:

Um cubo possui 12 arestas de mesmo comprimento. Para descobrir o comprimento de cada uma, dividimos a soma dos comprimento $(48)$ pela quantidade de arestas  do cubo $(12)$:
$$
\text{comprimento da aresta} = \frac{48}{12} = 4\ cm
$$
O volume de um cubo é dado pelo produto entre a área da base e sua altura:
$$
V = \text{aresta}^3 = 4^3 = 64\ cm^3
$$
Assim, o cubo possui volume de $64\ cm^3$. A resposta correta é a alternativa c).


Questão 10

A  professora do 8º ano da Escola 1º de Maio propôs para seus alunos o seguinte desafio: Descubra o valor da incógnita $a$ na equação $5\cdot (4+a) = 28 - 3 \cdot a$. Pode-se afirmar que o vencedor do desafio foi quem obteve como resposta o número:

a) -1
b) 0
c) 1
d) 2

Resolução:

O problema se resume em isolar a incógnita $a$:
$$
5\cdot (4+a) = 28 - 3 \cdot a\\
\ \\
20 + 5a = 28-3a\\
\ \\
5a+3a = 28 - 20\\
\ \\
8a = 8\\
\ \\
a = 1
$$
A resposta correta é a alternativa c).


Questão 11

Chiquinho aplicou a quantia de R$ 500,00 a juros simples durante 6 meses. A taxa de aplicação foi de 5 % ao mês. O montante obtido foi de:

a) R$ 650,00
b) R$ 700,00
c) R$ 750,00
d) R$ 800,00

Resolução:

Vamos identificar os dados do problema:

 Capital inicial: (C) = R$ 500,00

• Taxa de juros: (J) = 5% ao mês

• Tempo: (t) = 6 meses

A fórmula de cálculo para juros simples é dada por:
$$
J = C \cdot i \cdot t\\
\ \\
J = 500,00 \cdot 0,05 \cdot 6\\
\ \\
J = 150,00
$$
O juros acumulado em 6 meses foi de R$ 150,00. Para saber o montante final, somamos o juros com o capital inicial investido:
$$
M = C + J\\
\ \\
M = 500,00 + 150,00\\
\ \\
M = 650,00
$$
Assim, o montante final foi de R$ 650,00. A resposta correta é a alternativa a).


Questão 12

Um veículo desloca-se com velocidade de $216\ km/h$. Sua velocidade, em metros por segundo, é expressa por:

a) 45 m/s
b) 60 m/s
c) 180 m/s
d) 36 m/s

Resolução:

Temos que transformar a velocidade do veículo para metros por segundo. Devemos, então, dividir por 3,6:
$$
\text{Velocidade} = \frac{216}{3,6} = 60\ m/s
$$
Assim, a velocidade do veículo é de $60\ m/s$


Questão 13

Em um triângulo retângulo, os seus outros dois ângulo internos medem $2x+5$ e $x+10$. Sabendo disso, podemos afirmar que o valor do menor ângulo desse triângulo retângulo é:

a) 25°
b) 35°
c) 50°
d) 60°

Resolução:

Usamos a propriedade dos triângulos onde a soma dos ângulos internos sempre é igual a 180°. Como o triângulo em questão é retângulo, então um de seus lados mede 90°, logo, podemos escrever a relação:
$$
90 + (2x+5) + (x+10) = 180\\
\ \\
90+2x+5+x+10 = 180\\
\ \\
3x + 105 = 180\\
\ \\
3x = 180 = 105\\
\ \\
3x = 75\\
\ \\
x = 25°
$$
Para descobrirmos as medidas dos outros dois ângulos internos, substituímos $x$ nas relações:

Ângulo 2:
$$
2x+5 = 2(25) + 5 = 50 + 5 = 55°\\
$$
Ângulo 3:
$$
x+10 = 25+10 = 35°
$$
Assim, o menor ângulo do triângulo retângulo mede 35°. A resposta correta é a alternativa b).


Questão 14

Estima-se que 180 gramas de uma substância $S$, considerada um medicamento, contém $6 \times 10^{23}$ moléculas dessa substância. Quantas moléculas desse substância estão contidas em um comprimido que contém 45 mg dela?

a) 1,5 × 10^20
b) 2,4 × 10^23
c) 3,4 × 10^23
d) 4,5 × 10^20

Resolução:

Temos que transformar 180g em mg ou 45mg em g, para termos a mesma unidade de medida. Vamos transformar 180g em miligramas. Como em 1g contém 1.000mg, logo 180g=180.000mg. Assim, temos que:

• Massa total da substância em mg: $180.000$

• Número de moléculas nesta massa: $6\times 10^23$

• Massa do comprimido em mg: 45

Vamos descobrir o número de moléculas $(M_{mg})$ por mg:
$$
M_{mg} = \frac{6\times 10^{23}}{180.000}\\
\ \\
M_{mg} = \frac{6\times 10^{23}}{1,8\times 10^{5}}\\
\ \\
M _{mg}= \frac{6}{1,8} \times 10^{18}\\
\ \\
M_{mg} = 3,33 \times 10^{18}
$$
Agora, multiplicamos o total de moléculas por mg pela massa do comprimido para obtermos a quantidade de moléculas por comprimido $M_{C}$:
$$
M_{C} = 3,33 \times 1o^{18} \cdot 45\\
\ \\
M_{C} = 149,85 \times 10^{18}\\
\ \\
M_{C} = 1,4985 \times 10^{20}
$$
Como as alternativas possuem apenas uma casa decima, arredondamos a resposta de $1,4985\times 10^{20}$ para $1,5\times 10^{20}$. Assim, a resposta correta é a alternativa a).


Questão 15

Qual o resultado da expressão $8\sqrt{a}-9\sqrt{a}+10\sqrt{a}$?

a) $\sqrt{a}$ 
b) $8\sqrt{a}$
c) $9\sqrt{a}$
d) $10\sqrt{a}$

Resolução:

Como todas as raízes são iguais, devemos manter a raiz e somar os coeficientes:
$$
8\sqrt{a}-9\sqrt{a}+10\sqrt{a}=\\
\ \\
(8-9+10) \sqrt{a}=\\
\ \\
9\sqrt{a}
$$
Assim, a resposta correta é a alternativa c).

Download do caderno de prova

Você pode fazer o download do caderno de prova completo com as questões de Matemática, Língua Portuguesa e Atualidades clicando no botão abaixo. Está armazenado no Drive:

Download do gabarito

O gabarito oficial foi publicado no Diário Oficial da Cidade de Guarujá. Você pode acessar o pdf diretamente no site da Prefeitura de Guarujá (página 8), ou clicar no botão abaixo para fazer o download direto do pdf armazenado no Drive.

Vejam mais:


Resolução da integral da cotangente de x: $\displaystyle \int \text{cotg}(x)\ dx$

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Lembra daquelas tabelas de integrais? Quando estudamos em nossa graduação, muitas vezes somente consultamos as tabelas e tomamos o resultado. Mas como esses resultados foram obtidos?
 
Este artigo faz parte de uma série de resoluções de integrais que venho fazendo para demonstrar os resultados que encontramos nessas tabelas.
 
Primeiramente a integral é resolvida passo-a-passo e em seguida é aplicada em exemplos. Para cada integral, utiliza-se técnicas específicas para sua resolução, que pode ser por substituiçãopor partespor frações parciais ou substituição trigonométrica ou ainda uma combinação de métodos.
 
Nesta postagem, vamos demonstrar que:
$$
\int \text{cotg}(x)\ dx = \ln| \text{sen}(x)|\ dx
$$
resolucao-da-integral-da-cotangente-de-x- cotg(x)-cot(x)-metodo-da-substituicao

Seja a integral:
$$
I = \int \text{cotg}(x)\ dx
$$
Reescrevemos o integrando como:
$$
I = \int \frac{\text{cos}(x)}{\text{sen}(x)}\ dx
$$
Para o integrando, fazemos a substituição $u=\text{sen}(x)$. Assim, $du=\text{cos}(x)\ dx$ e $\displaystyle dx = \frac{1}{\text{cos}(x)}\ du$:
$$
I = \int \frac{\cos(x)}{u}\cdot \frac{1}{\cos(x)}\ du\\
\ \\
I = \int \frac{1}{u}\ du
$$
A integral de $\displaystyle \frac{1}{u}$ é $\ln(u)$. Assim:
$$
I = \ln(u) + C
$$
Mas, $u=\text{sen}(x)$. Logo:
$$
I = \ln | \text{sen}(x) | + C
$$
Veja também outras integrais:

Exemplo:

Vamos calcular a área sob a curva $f(x)=\text{cotg}(x)$ no intervalo $\displaystyle \left[ \frac{\pi}{4},\frac{\pi}{2}\right]$.
integral-definida-da-cotangente-pi-sobre-2-pi-sobre-4

Para encontrarmos a área sob a curva $f(x)$, utilizamos o conceito de integral definida:
$$
A = \int_{\pi/4}^{\pi/2} \text{cotg}(x)\ dx\\
\ \\
A = \Big[ \ln | \text{sen}(x) | \Big]_{\pi/4}^{\pi/2}\\
\ \\
A = \ln \left( \text{sen} \left(\frac{\pi}{2}\right) \right) - \ln \left( \text{sen} \left(\frac{\pi}{4}\right) \right)\\
\ \\
A = \ln (1) - \ln \left( \frac{\sqrt{2}}{2}\right)\\
\ \\
A = 0 - \ln \left( \frac{\sqrt{2}}{2}\right)\\
\ \\
A = -\ln \left(\sqrt{2}\right) + \ln(2)\\
\ \\
A = -\ln (2)^{1/2} + \ln(2)\\
\ \\
A = -\frac{1}{2} \ln (2) + \ln(2)\\
\ \\
A \approx -\frac{0,6931}{2} + 0,6931\\
\ \\
A \approx 0,3466
$$

Fórmula de redução para a integral $\displaystyle \text{cotg}^n(x)\ dx$

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Fórmulas de redução são métodos baseados em relações de recorrência que nos permite reduzir a potência do integrando a fim de tornar mais fácil o processo de integração.

A ideia é expressar um integrando que envolva uma potência inteira $n$ de uma função em termos de $n-1$ ou $n-2$. O processo de redução pode ser continuado até obtermos uma função que seja mais facilmente integrável.

Outras fórmulas de redução para integrais:
$\bullet$ $\displaystyle \int \text{sen}^n(x) dx$$\bullet$ $\displaystyle \int \text{sec}^n(x)\ dx$
$\bullet$ $\displaystyle \int \text{cos}^n(x)\ dx$$\bullet$ $\displaystyle \int \text{cossec}^n(x)\ dx$
$\bullet$ $\displaystyle \int \text{tg}^n(x) dx$$\bullet$ $\displaystyle \int \text{cotg}^n(x)\ dx$

Veremos neste artigo como encontrar uma fórmula de redução para a cotangente elevada à enésima potência utilizando o método de integração por substituição:
$$
\int \text{cotg}^n(x)\ dx =\\ -\frac{1}{n-1}\ \text{cotg}^{n-1}(x) - \int \text{cotg}^{n-2}(x)\ dx
$$

Seja a integral:
$$
I = \int \text{cotg}^n(x)\ dx
$$
Reescrevemos o integrando como:
$$
I = \int \text{cotg}^{n-2}(x) \cdot \text{cotg}^2(x)\ dx
$$
Substituímos o segundo fator do integrando pela identidade trigonométrica $\text{cotg}^2(x)=\text{cossec}^2(x)-1$:
$$
I = \int \text{cotg}^{n-2}(x)\ \left( \text{cossec}^2(x)-1 \right)\ dx\\
\ \\

I = \int \text{cotg}^{n-2}(x)\ \text{cossec}^2(x)\ dx \\
-\int \text{cotg}^{n-2}(x)\ dx
$$
Fazemos a substituição $u=\text{cotg}(x)$ e aplicamos ao primeiro integrando. Assim, $du=-\text{cossec}^2(x)\ dx$ e $\displaystyle dx =- \frac{1}{\text{cossec}^2(x)}\ du$. Assim:
$$
I = \int u^{n-2}  \text{cossec}^2(x)  \left(-\frac{1}{\text{cossec}^2(x)}\right) du  \\
-\int \text{cotg}^{n-2}(x)\ dx\\
\ \\
I = -\int u^{n-2}\ du - \int \text{cotg}^{n-2}(x)\ dx\\
\ \\
I = -\frac{u^{n-1}}{n-1} - \int \text{cotg}^{n-2}(x)\ dx
$$
Mas, $u=\text{cotg}(x)$, logo:
$$
\boxed{I = -\frac{1}{n-1}\text{cotg}^{n-1}(x)\\
- \int \text{cotg}^{n-2}(x)\ dx}
$$


Para $n=2$, teremos:
$$
I_2 = \int \text{cotg}^2(x)\ dx\\
\ \\
I_2 = -\frac{\text{cotg}^{2-1}(x)}{2-1} - \int \text{cotg}^{2-2}(x)\ dx\\
\ \\
I_2 = -\text{cotg}(x) - \int dx\\
\ \\
I_2 = -\text{cotg}(x) - x +C
$$

Para $n=3$, teremos:
$$
I_3 = \int \text{cotg}^3(x)\ dx\\
\ \\
I_3 = -\frac{\text{cotg}^{3-1}(x)}{3-1} - \int \text{cotg}^{3-2}(x)\ dx\\
\ \\
I_3 = -\frac{\text{cotg}^2(x)}{2} - \int \text{cotg}(x)\ dx\\
\ \\
I_3 = -\frac{\text{cotg}^2(x)}{2} - \ln \left| \text{sen}(x) \right| + C\\
\ \\
I_3 = -\frac{\left( \text{cossec}^2(x)-1\right)}{2} - \ln \left| \text{sen}(x)\right| + C\\
\ \\
I_3 = -\frac{\text{cossec}^2(x)}{2}+\frac{1}{2} - \ln\left| \text{sen}(x)\right| + C\\
\ \\
I_3 = -\frac{\text{cossec}^2(x)}{2} - \ln\left| \text{sen}(x)\right| + C

$$

Como escrever matrizes e determinantes em $\LaTeX$

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$\LaTeX$ é uma ferramenta extremamente poderosa para a criação de documentos matemáticos, e uma de suas principais vantagens é a facilidade com que podemos escrever matrizes e determinantes. Neste artigo, vamos explorar como criar matrizes e determinantes em $\LaTeX$, desde as mais simples até as mais complexas.

1. Matrizes Básicas

Uma matriz é uma estrutura matemática que organiza elementos (números, símbolos ou expressões) em uma disposição retangular de linhas e colunas.

Uma matriz $A$ de tamanho $m \times n$ (lê-se: $m$ por $n$) é uma tabela com $m$ linhas e $n$ colunas, onde cada elemento da matriz é identificado por sua posição $a_{ij}$, onde $i$ é a linha e $j$ é a coluna.

A representação geral de uma matriz $A$ é:
$$
A=
\begin{bmatrix}
a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\
a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mn}
\end{bmatrix}
$$

onde:

  • $a_{ij}$ representa o elemento da $i$-ésima linha $j$-ésima coluna.
  • $m$ é número de linhas.
  • $n$ é o número de colunas


1.1. Matriz Simples

Para criar uma matriz simples, utilizamos o ambiente array. Este ambiente é semelhante a uma tabela, onde você define o número de colunas e o alinhamento dos elementos.

\begin{array}{ccc}
a & b & c \\ 
d & e & f \\ 
g & h & i \\ 
\end{array}

Este código produz a seguinte matriz:

\[ \begin{array}{ccc} a & b & c \\ d & e & f \\ g & h & i \\ \end{array} \]

1.2. Matriz com Delimitadores

Para adicionar delimitadores como parênteses, colchetes ou chaves, utilizamos os comandos \left e \right.

\left[
\begin{array}{ccc}
a & b & c \\
d & e & f \\
g & h & i \\
\end{array}
\right]

Este código produz a seguinte matriz com colchetes:

\[ \left[ \begin{array}{ccc} a & b & c \\ d & e & f \\ g & h & i \\ \end{array} \right] \]


2. Matrizes com Ambientes Específicos

Um ambiente no $\LaTeX$ é uma estrutura que define um contexto específico para o conteúdo dentro dele. Ambientes são iniciados com o comando \begin{}e finalizados com o comando \end{}. Entre esses dois comandos, o conteúdo é processado de acordo com as regras do ambiente escolhido.

A sintaxe básica de um ambiente é:
\begin{ambiente>
	Conteúdo do ambiente
\end{ambiente}
Onde:
  • ambienteé o nome do ambiente que se deseja usar, como por exemplo: matrix, equation, align, ...
  • Conteúdo do ambienteé o comando que será processado dentro do ambiente,


2.1. Ambiente {matrix}

O ambiente matrixé uma forma mais simples de criar matrizes sem delimitadores.

\begin{matrix}
a & b & c \\
d & e & f \\
g & h & i \\
\end{matrix}

Este código produz a seguinte matriz:

\[ \begin{matrix} a & b & c \\ d & e & f \\ g & h & i \\ \end{matrix} \]

2.2. Ambiente {pmatrix}

O ambiente pmatrix cria matrizes com parênteses.

\begin{pmatrix}
a & b & c \\
d & e & f \\
g & h & i \\
\end{pmatrix}

Este código produz a seguinte matriz:

\[ \begin{pmatrix} a & b & c \\ d & e & f \\ g & h & i \\ \end{pmatrix} \]

2.3. Ambiente {bmatrix}

O ambiente bmatrix cria matrizes com colchetes.

\begin{bmatrix}
a & b & c \\
d & e & f \\
g & h & i \\
\end{bmatrix}

Este código produz a seguinte matriz:

\[ \begin{bmatrix} a & b & c \\ d & e & f \\ g & h & i \\ \end{bmatrix} \]

2.4. Ambiente {vmatrix}

O ambiente vmatrix cria matrizes com barras verticais, comumente usadas para determinantes.

\begin{vmatrix}
a & b & c \\
d & e & f \\
g & h & i \\
\end{vmatrix}

Este código produz o seguinte determinante:

\[ \begin{vmatrix} a & b & c \\ d & e & f \\ g & h & i \\ \end{vmatrix} \]

2.5. Ambiente {Vmatrix}

O ambiente Vmatrix cria matrizes com barras verticais duplas.

\begin{Vmatrix}
a & b & c \\
d & e & f \\
g & h & i \\
\end{Vmatrix}

Este código produz a seguinte matriz:

\[ \begin{Vmatrix} a & b & c \\ d & e & f \\ g & h & i \\ \end{Vmatrix} \]


3. Determinantes

O determinante de uma matriz é um número real (ou escalar) associados a matrizes quadradas (com o mesmo número de linhas e colunas) calculado a partir dos elementos da matriz.

Os determinantes fornecem informações importantes sobre as propriedades da matriz, como por exemplo invertibilidade, dependência linear de vetores e soluções de sistemas de equações.

Dada uma matriz $A$, o determinante dessa matriz é denotado por:
$$
\det (A) \quad \text{ou} \quad \left| A \right|
$$

3.1. Determinante de uma matriz 2x2

Para calcular o determinante de uma matriz 2x2, utilizamos o ambiente vmatrix.

A=
\begin{vmatrix}
a & b \\
c & d \\
\end{vmatrix} = ad - bc

\det(A) =  ad - bc

Este código produz o seguinte determinante:

\[ A = \begin{vmatrix} a & b \\ c & d \\ \end{vmatrix} \] \[ \det(A) = ad - bc \]

3.2. Determinante de uma Matriz 3x3

Para calcular o determinante de uma matriz 3x3, utilizamos o mesmo ambiente vmatrix.

A=
\begin{vmatrix}
a & b & c \\
d & e & f \\
g & h & i \\
\end{vmatrix}

\det(A) = a(ei - fh) - b(di - fg) + c(dh - eg)

Este código produz o seguinte determinante:

\[ A= \begin{vmatrix} a & b & c \\ d & e & f \\ g & h & i \\ \end{vmatrix} \] \[ \det(A) = a(ei - fh) - b(di - fg) + c(dh - eg) \]

3.3. A Regra de Sarrus

A Regra de Sarrus é um método prático para calcular o determinante de uma matriz $3 \times 3$. Ela envolve a repetição das duas primeiras colunas da matriz e o cálculo da soma dos produtos das diagonais principais, menos a soma dos produtos das diagonais secundárias.

Seja a matriz:
\[
A = \begin{bmatrix}
a & b & c \\
d & e & f \\
g & h & i
\end{bmatrix}
\]
O determinante de $A$ pode ser calculado pela Regra de Sarrus:
\[
\det(A) = \begin{vmatrix}
a & b & c \\
d & e & f \\
g & h & i
\end{vmatrix}\\
\ \\
\det(A)= aei + bfg + cdh - ceg - bdi - afh
\]
Passo a passo:

a) Repetimos as duas primeiras colunas ao lado direito da matriz:
\[
\begin{array}{|ccc|cc}
a & b & c & a & b \\
d & e & f & d & e \\
g & h & i & g & h \\
\end{array}
\]

b) Somamos os produtos das diagonais principais (da esquerda para direita):
\[
aei + bfg + cdh
\]

c) Subtraímos os produtos das diagonais secundárias (da direita par a esquerda):
\[
- (ceg + afh + bdi )
\]

d) O determinante é:
\[
\det(A) = aei + bfg + cdh - ceg - afh - bdi
\]
Os respectivos códigos utilizados para gerar as equações acima foram:
A = \begin{bmatrix}
a & b & c \\
d & e & f \\
g & h & i
\end{bmatrix}
\det(A) = \begin{vmatrix}
a & b & c \\
d & e & f \\
g & h & i
\end{vmatrix}\\
\ \\
\det(A)= aei + bfg + cdh - ceg - bdi - afh
\begin{array}{|ccc|cc}
a & b & c & a & b \\
d & e & f & d & e \\
g & h & i & g & h \\
\end{array}
aei + bfg + cdh
- (ceg + afh + bdi )
\det(A) = aei + bfg + cdh - ceg - afh - bdi

4. Matrizes com pontos de suspensão

Uma matriz genérica com pontos de suspensão é usada para representar matrizes de tamanho arbitrário $(m \times n)$ de forma compacta, especialmente quando o número de linhas ou colunas é grande.
\begin{bmatrix}
a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\
a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mn}
\end{bmatrix}

Este código produz a seguinte matriz:

\[ \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mn} \end{bmatrix} \]

onde:
  • $a_{ij}$ representa cada elemento da matriz, onde $i$ representa a linha e $j$ representa a coluna.
  • $\cdots$ são pontos de suspensão horizontais para indicar a existência de colunas intermediárias.
  • $\vdots$ são pontos de suspensão verticais para indicar a existência de linhas intermediárias.
  • $\ddots$ são pontos de suspensão diagonais para indicar a continuidade da diagonal.

Veja mais:

Qual a diferença entre expressões, equações e funções?

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A matemática é uma ciência repleta de conceitos interligados, mas que possuem significados e aplicações distintas. Entre os tópicos que costumam gerar dúvidas entre os estudantes estão as expressões, equações e funções. Embora esses conceitos estejam relacionados, cada um tem uma definição e um propósito específico. Vamos explorar as diferenças entre eles de forma clara e prática.

1. Expressões Matemáticas

Uma expressão matemáticaé uma combinação de números, variáveis, operações, como adição $(+)$, subtração $(-)$, multiplicação $(\times)$ e divisão $(\div)$, e, às vezes, expoentes ou raízes. Ela não possui um sinal de igualdade $(=)$ e, portanto, não estabelece uma relação de igualdade. O objetivo de uma expressão é representar um valor ou uma operação que pode ser simplificada ou calculada.

Alguns tipos de expressões:
  • $2+3(x+1)$
  • $2a^2-b+10$
  • $ \displaystyle 2+\frac{2}{3}$

Assim, uma expressão é como uma "frase matemática" que pode ser avaliada ou simplificada, mas não resolve nada por si só.

Exemplo 1:

Vamos simplificar a expressão $3x-5+2x+7$.

Iniciamos agrupando os termos semelhantes: 
$$
(3x+2x) + (-5+7)
$$
Agora, efetuamos as operações: 
$$
5x+2
$$

Exemplo 2:

Vamos resolver a expressão $2a^2-3b+4$, para $a=3$ e $b=2$.

Substituímos os valores de $a$ e $b$ na expressão:
$$
2(3)^2 - 3(2) + 4
$$
Calculamos a potência:
$$
2(9) - 3(2) + 4
$$
Efetuamos as multiplicações:
$$
18 - 6 + 4
$$
Efetuamos a subtração e a adição, obtendo:
$$
16
$$
Portanto, o valor da expressão é 16.

2. Equações

Uma equaçãoé uma declaração matemática que estabelece uma igualdade entre duas expressões. Ela sempre contém um sinal de igualdade $(=)$ e, geralmente, envolve uma ou mais variáveis. O objetivo de uma equação é encontrar o valor da variável que torna a igualdade verdadeira.

Exemplos de equações:
  • $3x+5=20$
  • $x^2-5x+6=0$
  • $x+7=3x-3$

Para resolver uma equação, utilizamos técnicas como isolar a variável, fatorar ou aplicar propriedades algébricas. A solução de uma equação é o valor (ou valores) que satisfazem a igualdade.

O valor que encontramos par a variável $x$ é aquele que satisfaz a equação, ou seja, é o valor atribuído a $x$ para que ambos os membros da equação sejam iguais.

Se uma equação é igual a zero, então o valor de $x$ que encontramos é aquele que, quando substituído na equação original, resulta em zero. Assim, em uma equação, o valor de $x$ é chamado de raiz da equação.

Exemplo 3:

Vamos resolver a equação linear $5x+4 = 3x + 20$.

Iniciamos agrupando os termos com a variável $x$ no lado esquerdo da equação e as constantes no lado direito.

Subtraímos $3x$ de ambos os membros:
$$
5x-3x+4 = 3x-3x+20\\
\ \\
2x + 4 = 20
$$
Subtraímos $4$ de ambos os membros:
$$
2x+4-4 = 20-4\\
\ \\
2x = 16
$$
Dividimos ambos os membros da equação por $2$:
$$
\frac{2x}{2} = \frac{16}{2}\\
\ \\
x = 8
$$
Portanto, a solução da equação é 8.
$$
S = \left\{ 8 \right \}
$$ 

Exemplo 4:

Vamos encontrar a solução para a equação $x^2-4=0$.

Utilizamos a propriedade da diferença de quadrados para fatorar a equação:
$$
(x+2)(x-2) = 0
$$
Para que o membro da esquerda seja igual a zero, a variável $x$ deve assumir o valor de $-2$ ou $2$.

Assim, a solução da equação é $x=-2$ e $x=2$.
$$
S = \left\{ -2,2 \right \}
$$

Exemplo 5:

Vamos resolver a equação quadrática: $2x^2-4x-3=0$.

Utilizamos a fórmula para a equação de segundo grau, conhecida como Fórmula de Bháskara:
$$
x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2-4ac}}{2a}
$$
Neste caso, $a=2$, $b=-4$ e $c=-3$. Assim:
$$
x = \frac{-(-4) \pm \sqrt{(-4)^2 - 4\cdot 2 \cdot (-3)}}{2\cdot 2}\\
\ \\
x = \frac{4 \pm \sqrt{16+24}}{4}\\
\ \\
x = \frac{ 4 \pm \sqrt{40}}{4}\\
\ \\
x = \frac{4 \pm 2\sqrt{10}}{4}\\
\ \\
x = \frac{2 \pm \sqrt{10}}{2}\\
\ \\
x_1 = \frac{2+\sqrt{10}}{2} \\
\ \\
x_2 = \frac{2 - \sqrt{10}}{2}
$$
Assim, a solução para a equação é $\displaystyle x= \frac{2+\sqrt{10}}{2}$ ou $\displaystyle x= \frac{2-\sqrt{10}}{2}$. Ou podemos escrever como:
$$
S = \left\{ \frac{2 \pm \sqrt{10}}{2} \right\}
$$

3. Funções

Uma funçãoé uma relação matemática que associa cada elemento de um conjunto, chamado de domínio, a um único elemento de outro conjunto, chamado de contradomínio. Em outras palavras, uma função descreve como uma variável depende de outra. Ela é frequentemente representada por uma expressão algébrica, mas também pode ser descrita por tabelas, gráficos e até palavras.

Exemplos de funções:
  • $f(x)=2x+3$
  • $g(x)=x^2-4$
  • $h(x)=\sqrt{x}$

A principal característica de uma função é que, para cada valor de entrada $x$, há exatamente um valor de saída $f(x)$. Funções são amplamente utilizadas para modelar situações do mundo real, como o crescimento populacional, o movimento de objetos e muito mais.

Ao construirmos o gráfico de uma função $f(x)$, o ponto em que a curva corta o eixo dos $x$ é chamado de zero da função. Isso quer dizer que é o ponto no qual a função se anula, ou seja, quando o valor de $f(x)=0$, que é o mesmo que dizer que é o valor de $x$ quando $y=0$.

Para calcularmos o zero de uma função, basta tomarmos a função, igualarmos a zero e encontrar o $x$ como se fosse uma equação.

Exemplo 6:

Considere a função linear $f(x)=2x-4$. Vamos calcular o zero da função e construir seu gráfico.

O zero da função obtemos igualando a função a zero e isolando a variável $x$:
$$
2x-4 = 0\\
\ \\
2x = 4\\
\ \\
x=2
$$
Portanto, o zero da função é $x=2$.

Para construirmos o gráfico de uma função, atribuímos valores para $x$ e calculamos o $f(x)$. Para uma função linear dois pontos já são suficiente. Um ponto nós já obtivemos, que é $x=2, y=0$: 
$$
\begin{array}{|c|c|}
\hline
\ \ x \ \ & \ \ f(x)=2x-4 \ \ \\
\hline
0 & -4 \\
\hline
2 & 0\\
\hline
\end{array}
$$
Para construir o gráfico no plano cartesiano, basta marcarmos as coordenadas e traçar a reta:

Exemplo 7:

Considere a função quadrática $f(x)=x^2-3x-4$. Vamos calcular o zero da função e construir seu gráfico.

O zero da função obtemos igualando a função a zero e isolando a variável $x$:
$$
x^2-3x-4 = 0
$$
Aplicamos na fórmula para equação de segundo grau:
$$
x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2-4ac}}{2a}
$$
Neste caso, $a=1$, $b=-3$ e $c=4$. Assim:
$$
x = \frac{ -(-3) \pm \sqrt{(-3)^2-4 \cdot 1 \cdot (-4)} }{ 2\cdot 1}\\
\ \\
x = \frac{3 \pm \sqrt{25}}{2}\\
\ \\
x = \frac{3 \pm 5}{2}\\
\ \\
x_1 = \frac{8}{2 }= 4\\
\ \\
x_2 = \frac{-2}{2} = -1
$$
Portanto, os zeros da função são $x=-1$ e $x=4$. Isso quer dizer que, quando substituímos $x$ por $-1$ ou $4$, teremos $y=0$.

Para construirmos o gráfico de uma função, atribuímos valores para $x$ e calcular o $f(x)$. Para uma função quadrática, são necessários pelo menos 3 pontos. Esses pontos nós já temos: os zeros da função $(-1,4)$ e o ponto onde a curva corta o eixo dos $y$. Quando $x=0$, $y=-4$. Esse ponto é chamado coeficiente linear.
$$
\begin{array}{|c|c|}
\hline
\ \ x \ \ & \ \ f(x)=x^2-3x-4 \ \ \\
\hline
-1 & 0 \\
\hline
0 & -4\\
\hline
4 & 0\\
\hline
\end{array}
$$
Para construir o gráfico no plano cartesiano, basta marcarmos as coordenadas e traçar a reta:

Diferença entre raiz de uma equação e zero de uma função

A diferença entre raiz de uma equação e zero de uma função está na forma como os conceitos são aplicados, mas matematicamente são equivalentes.

O termo raizé mais comumente associado à solução de equações, já o termo zeroé usado no contexto de funções.

Na prática, a diferença é uma questão de terminologia e contexto, pois ambos se referem aos valores de $x$ que satisfazem a condição $f(x)=0$.

A interpretação geométrica do zero de uma função são os pontos onde a curva intercepta o eixo dos $x$. Isso ocorre necessariamente quando $y=0$.

Vale observar que nem todas as funções possuem zeros. Isso ocorre em funções que não interceptam o eixo dos $x$, como por exemplo a função $f(x)=x^2+1$. Essa função não tem zeros, porque $x^2+1$ nunca será igual a zero, para $x \in \mathbb{R}$.

Por outro lado, existem funções que podem possui múltiplos zeros, como funções de graus maior que 2, ou ainda infinitos zeros, como algumas funções trigonométricas.


Comparação entre Expressão, Equação e Função

É muito importante entender a diferença entre expressões, equações e funções para facilitar o estudo da matemática. Enquanto as expressões são como blocos de construção que representam valores ou operações, as equações são ferramentas para resolver problemas que envolvem igualdades. Já as funções vão além, descrevendo relações entre variáveis e permitindo a modelagem de fenômenos complexos.

Expressão:
  • Definição: Combinação de números, variáveis e operações.
  • Sinal de igualdade: Não possui.
  • Objetivo: Representar um valor ou operação matemática, mas não estabelece uma igualdade.
  • Exemplo: $5x-2$

Equação:
  • Definição: Igualdade entre suas expressões.
  • Sinal de igualdade: Possui $(=)$
  • Objetivo: Estabelece uma igualdade entre duas expressões e busca encontrar o valor da variável que satisfaz essa igualdade.
  • Exemplo: $5x-2=13$

Função:
  • Definição: Relação que associa entradas e saídas.
  • Sinal de igualdade: Possui, Pode ser representada por $f(x)=$.
  • Objetivo: Descreve uma relação entre variáveis, onde cada entrada corresponde a uma única saída.
  • Exemplo: $f(x)=5x-2$

Veja mais:

A função cis(x)

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a-funcao-cis-de-x-derivada-da-formula-de-euler

A função $\text{cis}(x)$ é uma notação matemática compacta que combina as funções trigonométricas seno e cosseno com funções exponenciais no plano complexo.

A notação $\text{cis}$ é a abreviação para a combinação das funções que aparecem no lado direito da Fórmula de Euler:

$$ e^{i\ x} = \text{cos}(x) + i\ \text{sen}(x) $$

Sendo:

  • $\large \color{blue}{\text{c}}$ de cosseno
  • $\large \color{red}{\text{i}}$ da unidade imaginária
  • $\large \color{green}{\text{s}}$ de seno
$$ \large \color{blue}{\text{c}}\ \color{red}{\text{i}}\ \color{green}{\text{s}} $$

1. Definição

A função $\text{cis}(x)$ é definida como a soma do cosseno e do seno de um ângulo $x$, multiplicado pela unidade imaginária $i$, sendo expressa como:

$$ \text{cis}(x)=\text{cos}(x)+i\ \text{sin}(x) $$

Onde:

  • $\text{cos}(x)$ é a função cosseno
  • $\text{sen}(x)$ é a função seno
  • $i$ é a unidade imaginária, satisfazendo $i^2=-1$
  • $x$ é o argumento do número complexo

2. Relação com a Fórmula de Euler

A função $\text{cis}(x)$ é diretamente derivada da Fórmula de Euler, substituindo a exponencial complexa $e^{i\ x}$ por $\text{cis}(x)$, assim:

$$ \text{cis}(x) = e^{i\ x} $$

Sendo assim, a função $\text{cis}$ é uma notação abreviada conveniente para simplificar algumas expressões, como a soma das funções trigonométricas.

O argumento $x$ da função $\text{cis}(x)$ determina uma posição do número complexo no círculo unitário do plano complexo, definindo um ângulo em radianos formado entre o eixo real e o segmento que une a origem ao ponto.

No plano complexo, qualquer número na forma $\text{cis}(x)$ pode ser visto como um ponto no círculo unitário, onde:

  • $\text{cos}(x)$ é a projeção no eixo dos $x$, representando a coordenada real
  • $\text{sen}(x)$ é a projeção no eixo dos $y$, representando a coordenada imaginária.

Como consequência, o argumento $x$ pode ser interpretado como um ângulo de rotação, medido no sentido anti-horário a partir do eixo real e é uma das coordenadas que descrevem a posição do número complexo na forma polar.

Por exemplo:

  • Se $x=0$, então $\text{cis}(0)=1$, pois está sobre o eixo real.
  • Se $\displaystyle x=\frac{\pi}{2}$, então $\displaystyle \text{cis}\left(\frac{\pi}{2}\right)=i$, pois está sobre o eixo imagninário.

3. Cálculo para o argumento

O ângulo formado entre o eixo real e o argumento pode ser expresso por sua tangente:

$$\text{tg}(x) = \frac{\text{Im}}{\text{Re}} = \frac{b}{a} $$

Assim, dado um número complexo $z=a+bi$, o argumento $x$ pode ser calculado através da função arco tangente:

$$ x = \text{arc tg}\left(\frac{b}{a}\right) $$

onde $a$ é a parte real e $b$ é a parte imaginária de $z$.


Exemplo 1:

Vamos calcular $\displaystyle \text{cis}\left(\frac{\pi}{3}\right)$.

Neste exemplo, o valor do argumento vale $\displaystyle x=\frac{\pi}{3}$. Sendo assim, a função é definida como:

$$ \text{cis}\left(\frac{\pi}{3}\right) = \text{cos}\left(\frac{\pi}{3}\right) + i\ \text{sen}\left(\frac{\pi}{3}\right) $$

Em seguida, calculamos o cosseno e o seno de $\pi/3$:

$$ \text{cos}\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{1}{2} \\ \ \\ \text{sen}\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{\sqrt{3}}{2} $$

Substituímos na função, obtendo:

$$ \text{cis}\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{1}{2} + i\ \frac{\sqrt{3}}{2} $$

A razão entre a parte imaginaria e a real está relacionada com o ângulo que o número complexo faz com o eixo real no plano complexo. Neste caso, temos:

  • Parte real: $\text{Re}=\displaystyle \frac{1}{2}$
  • Parte imaginária: $\text{Im}=\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{2}$

A razão é dada por:

$$ \frac{b}{a} = \frac{\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{2}}{\displaystyle \frac{1}{2}} = \frac{\sqrt{3}}{2} \cdot \frac{2}{1} = \sqrt{3} $$

Assim, a razão entre a parte imaginária e a parte real da função $\displaystyle \text{cis}\left(\frac{\pi}{3}\right)$ vale $\sqrt{3}$.

Usando a função arco tangente, temos:

$$ x = \text{arc tg}\left( \sqrt{3} \right) = \frac{\pi}{3} $$

Isso confirma que a razão $\displaystyle \frac{b}{a}=\sqrt{3}$ é igual à tangente do ângulo $\displaystyle x = \frac{\pi}{3}$.

Dado um número complexo $z=a+b\ i$, podemos representá-lo em sua forma polar como:

$$ z = r \cdot \text{cis}(x) = r\cdot e^{i\ x} $$

onde:

  • $r$ é o módulo ou magnitude do número complexo, dado por $r=\sqrt{a^2+b^2}$
  • $x$ é o argumento ou ângulo do número complexo, dado por $\displaystyle x=\text{arc tg}\left(\frac{b}{a}\right)$

O argumento de $\displaystyle \text{cis}\left(\frac{\pi}{3}\right)$ é simplesmente o ângulo $\displaystyle x=\frac{\pi}{3}$. Para calcular o módulo, fazemos:

$$ r = \sqrt{\text{cos}^2\left(\frac{\pi}{3}\right) + \text{sen}^2\left(\frac{\pi}{3}\right)} $$

Sabemos pela identidade trigonométrica fundamental que $\text{cos}^2(\theta)+\text{sen}^2(\theta)=1$, assim:

$$ r=1 $$

Portanto, na forma polar, o número complexo $\displaystyle \text{cis}\left(\frac{\pi}{3}\right)$ é escrito como:

$$ \text{cis}\left(\frac{\pi}{3}\right) = r\cdot \text{cis}(x) = 1 \cdot \text{cis}\left(\frac{\pi}{3}\right) $$

Ou:

$$ \text{cis}\left(\frac{\pi}{3}\right) = 1 \cdot e^{i\ \pi/3} = e^{i\ \pi/3} $$

Este número complexo está localizado no primeiro quadrante do plano complexo, com um ângulo de $\pi/3$ (ou 60 graus) em relação ao eixo real.

representacao-de-pi-sobre-3-no-plano-complexo-função-cis(x)

4. Relação com a Fórmula de Euler Generalizada

Para $z \in \mathbb{C}$, a função $\text{cis}(z)$ é definida como:

$$ \text{cis}(z) = \text{cos}(z) + i\ \text{sen}(z) = \text{cis}(z) $$

Onde:

  • $\text{cos}(z)$ e $\text{sen}(z)$ são as funções cosseno e seno estendidas para o domínio dos complexos
  • $i$ é a unidade imaginária, sendo $i^2=-1$

A fórmula de Euler para números reais estabelece que:

$$ e^{i\ x} = \text{cos}(x) + i\ \text{sen}(x) = \text{cis}(x) $$

onde $x \in \mathbb{R}$.

Para números complexos $z \in \mathbb{C}$, a fórmula de Euler pode ser estendida de forma análoga:

$$ e^{i\ z} = \text{cos}(z) + i\ \text{sen}(z) = \text{cis}(z) $$

Essa generalização é possível porque as funções $\text{cos}(z)$ e $\text{sen}(z)$ são definidas para números complexos por meio de suas expansões em série de Taylor ou usando a função exponencial complexa.


5. Cálculo para argumentos complexos

A função $\text{cis}(x)$ é tipicamente definida considerando $x$ um número real. No entanto, a função pode ser estendida para números complexos, sendo $z \in \mathbb{C}$, permitindo uma versão mais geral da Fórmula de Euler. Para um argumento complexo $z$, onde $z=x+i\ y$ e $x,y \in \mathbb{R}$, temos:

$$ \text{cis}(z) = e^{i\ z} = \text{cos}(z) + i\ \text{sen}(z) $$

Onde:

  • $\text{cos}(z)$ e $\text{sen}(z)$ são as funções cosseno e seno estendidas para o domínio dos complexos
  • $i$ é a unidade imaginária, sendo $i^2=-1$

A exponencial de um número complexo $z=x+i\ y$ pode ser escrita como:

$$ e^z = e^{x+i\ y} = e^x\ e^{i\ y} $$

Usando a Identidade de Euler $e^{i\ y} = \text{cis}(y)$, obtemos:

$$ e^z = e^x \text{cis}(y) = e^x \big(\text{cos}(y)+i\ \text{sen}(y)\big) $$

Essa expressão mostra que a exponencial complexa pode ser vista como um fator de crescimento exponencial $e^x$ multiplicado por uma rotação $\text{cis}(y)$ no plano complexo.

Sabemos que as funções $\text{cos}(z)$ e $\text{sen}(z)$ são definidas para números complexos usando suas representações em termos da exponencial:

$$ \text{cos}(z) = \frac{e^{i\ z}+e^{-i\ z}}{2} \\ \ \\ \text{sen}(z) = \frac{e^{i\ z}-e^{-i\ z}}{2i} $$

Portanto, a função $\text{cis}(z)$ para $z$ complexo, mantém as propriedades semelhantes às do caso real, mas com comportamento modificado devido à parte imaginária de $z$.


Exemplo 2:

Considere o número complexo $z=1+i$. Vamos calcular $\text{cis}(z)$.

A função $\text{cis}(z)$ é definida como:

$$ \text{cis}(z) = e^{i\ z} = \text{cos}(z) + i\ \text{sen}(z) $$

Substituímos $z=1+i$:

$$ \text{cis}(1+i) = e^{i\ (1+i)} = \text{cos}(1+i) + i\ \text{sen}(1+i) $$

Aplicando a propriedade distributiva no expoente, temos:

$$ \text{cis}(1+i) = e^i\ e^{i^2}\\ \ \\ \text{cis}(1+i) = e^{-1}\ e^i $$

Pela Fórmula de Euler, sabemos que:

$$ e^i = \text{cos}(1) + i\ \text{sen}(1) $$

Portanto:

$$ \text{cis}(1+i) = e^{i(1+i)} = e^{-1}\Big(\text{cos}(1)+i\ \text{sen}(1)\Big)\\ \ \\ \text{cis}(1+i) = e^{-1} \cdot \text{cis}(1) $$

Para obtermos uma aproximação numérica, vamos considerar os seguintes valores:

  • $e^{-1} \approx 0,3679$
  • $\text{cos}(1) \approx 0,5403$
  • $\text{sen}(1) \approx 0,8415$

Obtendo:

$$ \text{cis}(1+i) \approx 0,3679 \Big(0,5403 + i\ 0,8415 \Big)\\ \ \\ \text{cis}(1+i) \approx 0,1988 + i\ 0,3096 $$

Para obtermos a razão entre a parte imaginária e a parte real, fazemos:

$$ \frac{\text{Im}\Big(\text{cis}(1+i)\Big)}{\text{Re}\Big(\text{cis}(1+i)\Big)} = \frac{0,3096}{0,1988} \approx 1,56 $$

Esta razão representa a inclinação da reta que passa pela origem e pelo ponto $(a,b)$ no plano complexo. Em termos geométricos, representa a tangente do ângulo $x$ que o vetor $z$ faz com o eixo real.

$$ \frac{b}{a} = \text{tg}(x) $$

O arco, cuja tangente vale $1,56$ (em radianos), aproximadamente, é o arco de $45°$.

Podemos visualizar de outra forma. Temos que:

  • Parte real $(a)$: $e^{-1} \cdot \text{cos}(1)$
  • Parte imaginária $(b)$: $e^{-1}\cdot \text{sen}(1)$

Assim:

$$ \frac{b}{a} = \frac{e^{-1}\cdot \text{sen}(1)}{e^{-1} \cdot \text{cos}(1)}\\ \ \\ \frac{b}{a} = \frac{\text{sen}(1)}{\text{cos}(1)} = \text{tg}(1) $$

6. A Derivada da Função $\text{cis}(z)$

Para calcularmos a derivada da função $\text{cis}(z)$ em relação a $z$, vamos usar a definição da função e as propriedades das derivadas de funções complexas. A função $\text{cis}(z)$ é definida como:

$$ \text{cis}(z) = \text{cos}(z) + i\ \text{sen}(z) $$

onde $z \in \mathbb{C}$.

A derivada de $\text{cis}(z)$ em relação a $z$ é dada por:

$$ \frac{d}{dz}\text{cis}(z) = \frac{d}{dz}\Big( \text{cos}(z)+i\ \text{sen}(z)\Big) $$

Podemos derivar termo a termo:

$$ \frac{d}{dz}\text{cis}(z) = \frac{d}{dz}\text{cos}(z)+i\ \frac{d}{dz}\text{sen}(z) $$

A derivada de $\text{cos}(z)$ é:

$$ \frac{d}{dz} \text{cos}(z) = -\text{sen}(z) $$

A derivada de $\text{sen}(z)$ é:

$$ \frac{d}{dz}\text{sen}(z) = \text{cos}(z) $$

Substituindo as derivadas de $\text{cos}(z)$ e $\text{sen}(z)$, obtemos:

$$ \frac{d}{dz}\text{cis}(z) = -\text{sen}(z) + i\ \text{cos}(z) $$

Podemos reescrever a derivada de $\text{cis}(z)$ de forma mais compacta. Tomando o membro da direita da relação acima, reescrevemos como:

$$ -\text{sen}(z) + i\ \text{cos}(z) = i\ \Big(\text{cos}(z) + i\ \text{sen}(z)\Big) $$

Pois, $i^2=-1$. Portanto:

$$ \frac{d}{dz}\text{cis}(z) = i\ \text{cis}(z) $$

Ou:

$$ \frac{d}{dz}\text{cis}(z) = i\ e^{i\ z} $$

Observando o resultado, podemos ver que a derivada da função $\text{cis}(z)$ é simplesmente a própria função multiplicada pela unidade imaginária $i$. Isso mostra que a função $\text{cis}(x)$ se comporta de maneira similar À função exponencial real, onde a derivada de $e^x$ é $e^x$.


7. A Integral da Função $\text{cis}(z)$

Para resolvermos a integral da função $\text{cis}(z)$, podemos utilizar as funções trigonométricas seno e cosseno ou através da exponencial. A escolha depende do contexto do problema e da conveniência matemática.

Se o problema já está expresso em termos de $\text{cos}(z)$ e $\text{sen}(z)$, talvez seja mais conveniente integrar utilizando as funções trigonométricas explicitamente. Mas se o problemas já está expresso em termos de exponenciais complexas, talvez seja mais simples manipular utilizando as propriedades da exponencial.


7.1. Integrando $\text{cis}(z)$ como $\text{cos}(z)+i\ \text{sen}(z)$

A função $\text{cis}(z)$ é definida como:

$$ \text{cis}(z) = \text{cos}(z) + i\ \text{sen}(z) $$

Seja a integral:

$$ I = \int \Big( \text{cos}(z) + i\ \text{sen}(z) \Big)\ dz $$

Integramos termo a termo:

$$ I = \int \text{cos}(z)\ dz + i \int \text{sen}(z)\ dz $$

A integral de $\text{cos}(z)$ é:

$$ \int \text{cos}(z)\ dz = \text{sen}(z) + C_1 $$

A integral de $\text{sen}(z)$ é:

$$ \int \text{sen}(z)\ dz = -\text{cos}(z) + C_2 $$

Substituindo na integral original, temos:

$$ I = \text{sen}(z) - i\ \text{cos}(z) + C $$

onde $C = C_1+C_2$ é a constante de integração combinada.

Podemos reescrever a integral de forma equivalente como:

$$ I = -i\ \Big( \text{cos}(z) + i\ \text{sen}(z) \Big) + C\\ \ \\ I = -i\ \text{cis}(z) + C $$

7.2. Integrando $\text{cis}(z)$ como $e^{i\ z}$

A integral da função exponencial é dada por:

$$ \int e^{a\ z}\ dz = \frac{e^{a\ z}}{a}+C $$

Substituindo $a$ por $i$, obtemos:

$$ I =e^{i\ z}\ dz\\ \ \\ I = \frac{e^{i\ z}}{i} + C $$

Como $e^{i\ z} = \text{cis}(z)$, reescrevemos a integral como:

$$ I = \frac{\text{cis}(z)}{i}+C $$

Como $\displaystyle \frac{1}{i} = -i$, temos:

$$ I = -i\ \text{cis}(z) + C $$

Isso mostra que a função $\text{cis}(z)$ tem um comportamento análogo ao da exponencial real, mas com um fator $-i$ ao integrar.


8. Um Pouco de História

A notação $\text{cis}$ foi utilizada pela primeira vez por William Rowan Hamilton, em Elements of Quarternions (1866) e posteriormente usada por Irving Stringham em trabalhos como Uniplanar Álgebra (1893), James Harkness e Frank Morley em sua obra Theory of Analytic Functions (1898) ou por George Ashley Campbell, que também se referiu a ela como Cisoidal Oscillations em seus trabalhos sobre linhas de transmissão (1901) e integrais de Fourier (1928).

Em 1942, inspirado pela notação $\text{cis}$, Ralph Vinton Lyon Hartley introduziu a função $\text{cas}$ para cosseno e seno (em inglês: cosine-and-sine) como uma forma de simplificar cálculos envolvendo transformadas, especialmente em aplicações de processamento de sinais:

$$ \text{cas}(x) = \text{cos}(x) + \text{sen}(x) $$

A função $\text{cis}(x)$ é uma notação derivada da Fórmula de Euler, permitindo uma representação mais compacta dos números complexos na forma polar. Sua extensão para argumentos complexos mantém suas propriedades fundamentais, relacionando funções trigonométricas e exponenciais. Sua derivada e integral refletem o comportamento esperado da exponencial complexa. Embora não seja muito utilizada em textos matemáticos, é uma ferramenta útil para simplificar expressões e facilitar cálculos envolvendo rotações no plano complexo.


Referências:
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Cis_(mathematics)
  • Matemática em Nível IME/ITA - Caio dos Santos Guimarães V1: Números Compelxos e Polinômios
  • https://mathworld.wolfram.com/Cis.html
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Euler%27s_formula

Quiz Matemático #01 - Descubra o Matemático!

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Quiz #01: Descubra o Matemático!


Seu Resultado:
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Resolução da integral $\displaystyle \int \frac{1}{x\ \ln(x)}\ dx$

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Lembra daquelas tabelas de integrais? Quando estudamos em nossa graduação, muitas vezes somente consultamos as tabelas e tomamos o resultado. Mas como esses resultados foram obtidos?

Este artigo faz parte de uma série de resoluções de integrais que venho fazendo para demonstrar os resultados que encontramos nessas tabelas.

Primeiramente a integral é resolvida passo-a-passo e em seguida é aplicada em exemplos. Para cada integral, utiliza-se técnicas específicas para sua resolução, que pode ser por substituição, por partes, por frações parciais ou substituição trigonométrica ou ainda uma combinação de métodos.

Nesta postagem, vamos demonstrar que:

$$
\int \frac{1}{x\ \ln(x)}\ dx = \ln \big| \ln(x) \big| + C
$$

resolucao-da-integral-de-1-sobre-x-ln-x-integral 1/x ln x

Seja a integral:

$$
I = \int \frac{1}{x\ \ln(x)}\ dx
$$

Para o integrando, fazemos a substituição $u=\ln(x)$. Assim, $\displaystyle du=\frac{1}{x}\ dx$ e $dx = x\ du$:

$$
I = \int \frac{1}{x\ u}\ x\ du
\ \\
I = \int \frac{1}{u}\ du
$$

A integral de $\displaystyle \frac{1}{u}$ é $\ln(u)$, assim:

$$
I = \ln |u|\ + C
$$

Mas, $u = \ln(x)$, logo:

$$
\boxed{I = \ln \big| \ln(x) \big| + C}
$$

Como $\ln(x)$ somente é definido para $x>0$, e o denominador $\ln(x)$ não pode ser zero, o domínio da função integrada de ser $x>0$ e $x \neq 1$.


Exemplo:

Vamos calcular a área sob a curva $\displaystyle f(x) = \frac{1}{x\ \ln(x)}$ compreendida no intervalo $\left[ e, e^2 \right]$.

Para encontrarmos a área sob a curva $f(x)$, utilizamos o conceito de integral definida:

$$
A = \int_e^{e^2} \frac{1}{x\ \ln(x)}\ dx
$$

Utilizando o resultado obtido acima, aplicamos os limites. Como no intervalo $\left[e,e^2\right]$ a função é contínua e positiva, podemos omitir o módulo:

$$
A = \Big[ \ln \big( \ln(x) \big) \Big]_e^{e^2}\\
\ \\
A = \ln \big( \ln(e^2)\big) - \ln\big(\ln(e) \big)\\
\ \\
A = \ln(2) - \ln(1)\\
\ \\
A = \ln(2)
$$

Assim, a área desejada vale $\ln(2) \approx 0,6931$ unidades de área.



Quiz de Matemática #02 - Equações de segundo grau

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Você está pronto(a) para um desafio histórico-matemático? Este quiz foi criado para testar seu conhecimento sobre os grandes gênios da matemática e suas descobertas revolucionárias!

📌 Como funciona?

  • Cada pergunta apresenta um desafio sobre o tema
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Quiz #01: Descubra o Matemático!


1. Qual é a forma geral de uma equação do 2º grau?
Resposta correta:
Alternativa b)
A forma padrão para uma equação quadrática é $ax^2+bx+c=0$, sendo $a \neq 0$.
2. Qual método não é utilizado para resolver uma equação de segundo grau?
Resposta correta:
Alternativa d)
Regra de três é utilizada em proporções, não em equações quadráticas.
3. Qual o valor do discriminante $\Delta$ na equação $x^2-6x+9-0$?
Resposta correta:
Alternativa a)
$\Delta = b^2-4ac = (-6)^2-4 \cdot 1 \cdot 9 = 36 + -36 = 0$
4. Quantas soluções reais possui a equação $x^2-+5x+10=0$?
Resposta correta:
Alternativa a)
$\Delta = 5^2-4\cdot 1 \cdot 10=25-40=-15$
Como o discriminante é negativo, não possui raízes reais.
5. Qual a soma das raízes de $2x^2-8x+6=0$?
Resposta correta:
Alternativa a)
Podemos utilizar a relação de Girard para obter a soma das raízes: $x_1+x_2=-b/a=8/2=4$. Outra opção é calcular as raízes e depois somá-las.
6. Qual equação possui raízes iguais a $x=2$ e $x=-1$?
Resposta correta:
Alternativa a)
A forma fatorada é $(x-2)(x+1)=0$, que expandida se transforma em $x^2-x-2=0$.
7. Para qual valor de $k$ a equação $x^2+kx+9=0$ tem uma única solução real?
Resposta correta:
Alternativa c)
Para ter uma única solução real (raiz dupla), o discriminante deve ser igual a zero:
$$\Delta = k^2-4\cdot 1 \cdot 9=0\\ k^2=36\\ k=\pm 6$$
Para que a raiz dupla seja positiva, o vértice da parábola deve estar no eixo $x$ positivo. A raiz dupla é dada por: $x=-b/2a=-k/2$:
Se $k=6$, então $x=-3$ (negativa, descartamos); Se $k=-6$, então $x=3$ (positiva, resposta correta).
8. Qual é o vértice da parábola: $y = x^2-4x+3$?
Resposta correta:
Alternativa a)
O vértice da parábola é dado por $x_V = -b/2a = 4/2=2$. Para encontrarmos a coordenada $y$, podemos substituir $x$ na equação original: $y_V=2^2-4\cdot 2+3=4-8+3=-1$.
9. Qual é a maior raiz real da equação $x^2-5x+6=0$?
Resposta correta:
Alternativa c)
Fatorando a equação, obtemos:
$$(x-2)(x-3)=0$$
As raízes são $x=2$ e $x=3$, portanto, a maior raiz real é $x=3$.
10. Qual é a solução da equação $x^2-9=0$?
Resposta correta:
Alternativa b)
Fatorando, temos $(x-3)(x+3)=0$. Logo, $x=3$ ou $x=-3$

Continue estudando para melhorar seu conhecimento!

A equação da reta tangente a uma elipse

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Vamos considerar uma elipse centrada na origem com equação:

$$
\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1 \tag{1}
$$

Onde:

  • $a$ é o semi-eixo maior
  • $b$ é o semi-eixo menor

Dado um ponto $P(x_0,y_0)$ pertencente à elipse, vamos determinar a equação da reta tangente à elipse nesse ponto.


Demonstração:

Se derivarmos implicitamente em relação a $x$ a equação da elipse, encontramos a inclinação (coeficiente angular) da reta tangente ao ponto $P(x_0,y_0)$:

$$
\frac{d}{dx} \left(\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2}\right) = \frac{d}{dx} (1)
$$

Aplicnaodo a regra da cadeia, obtemos:

$$
\frac{2x}{a^2} + \frac{2y}{b^2} \ \frac{dy}{dx} = 0
$$

Vamos isolar $dy/dx$ para encontrarmos a inclinação da reta tangente:

$$
\frac{2y}{b^2}\ \frac{dy}{dx} = -\frac{2x}{a^2}\\
\ \\
\frac{dy}{dx} = -\frac{2x}{a^2}\ \frac{b^2}{2y}\\
\ \\
\frac{dy}{dx} = -\frac{b^2x}{a^2y}
$$

Assim, no ponto $P(x_0,y_0)$ o coeficiente angular da reta tangente pode ser expresso por:

$$
m = \frac{dy}{dx} = - \frac{b^2 x_0}{a^2 y_0} \tag{2}
$$

Por outro lado, se tomarmos a definição da inclinação da reta, teremos:

$$
m = \frac{y_0-y}{x_0-x} \tag{3}
$$

Essa equação também é conhecida por equação ponto-inclinação da reta.

Substituindo $(2)$ em $(3)$, obtemos:

$$
y-y_0 = -\frac{b^2x_0}{a^2y_0}(x - x_0)\\
\ \\
a^2y_0(y-y_0) = - b^2x_0(x-x_0)
$$

Aplicando a propriedade distributiva:

$$
a^2y_0y - a^2y_0^2 = - b^2x_0x + b^2x^2_0
$$

Reorganizando os termos, obtemos:

$$
b^2x_0x + a^2y_0y = b^2x_0^2 + a^2y_0^2
$$

Dividimos ambos os membros por $a^2b^2$:

$$
\frac{x_0x}{a^2} + \frac{y_0y}{b^2} = \frac{x_0^2}{a^2} + \frac{y_0^2}{b^2} \tag{4}
$$

Como o ponto $P(x_0,y_0)$ pertence à elipse, temos:

$$
\frac{x_0^2}{a^2} + \frac{y_0^2}{b^2} = 1 \tag{5}
$$

Substituímos $(5)$ no membro da direita de $(4)$, obtendo finalmente a equação da reta tangente à elipse:

$$
\frac{x_0x}{a^2} + \frac{y_0y}{b^2} = 1 \tag{6}
$$

Exemplo 1:

Seja uma elipse definida pela equação:

$$
\frac{x^2}{9} + \frac{y^2}{4} = 1
$$

Vamos encontrar a equação da reta tangente à elipse no ponto $\displaystyle P\left(\frac{3}{2}, \sqrt{3}\right)$.

Antes de prosseguir com a resolução, vamos verificar se o ponto $P$ realmente pertence à elipse. Para isso, substituímos as coordenadas de $P$ na equação da elipse.

$$
\frac{\left(\displaystyle \frac{3}{2}\right)^2}{9} + \frac{\left(\displaystyle \sqrt{3}\right)^2}{4} = 1\\
\ \\
\frac{\displaystyle \frac{9}{4}}{9} + \frac{3}{4} = 1\\
\ \\
\frac{1}{4} + \frac{3}{4} = 1\\
\ \\
1 = 1
$$

Como a igualdade é satisfeita, concluímos que $P$ pertence à elipse. Agora, vamos aplicar as coordenadas do ponto $P$ na fórmula da reta tangente:

$$
\frac{\displaystyle \frac{3}{2}x}{9} + \frac{\sqrt{3}y}{4} = 1\\
\ \\
\frac{3}{2}\ \frac{1}{9}x + \frac{\sqrt{3}}{4} y = 1\\
\ \\
\frac{1}{6}x = \frac{\sqrt{3}}{4}y = 1
$$

Ou ainda:

$$
2x + 3\sqrt{3} = 12
$$

Graficamente, temos:


Exemplo 2:

Dada a reta $3x+4y=25$, tangente à elipse centrada na origem no ponto $P(3,4)$, encontrar a equação da elipse.

Vamos verificar se $P(3,4)$ pertence à reta:

$$
3x+4y=25\\
\ \\
3(3)+4(4) = 25\\
\ \\
9+16 = 25\\
\ \\
25=25
$$

Como a igualdade foi satisfeita, concluímos que $P$ pertence à reta.

A equação da elipse centrada na origem é dada por:

$$
\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2}=1
$$

Pelo enunciado do problema, a reta é tangente à elipse. Sabemos que a equação da reta tangente à elipse no ponto $P(x_0,y_0)$ é dada por:

$$
\frac{x_0x}{a^2} + \frac{y_0y}{b^2} = 1
$$

No ponto %P(3,4)$, temos:

$$
\frac{3x}{a^2}+\frac{4y}{b^2}=1
$$

A reta $3x+4y=25$ pode ser reescrita como:

$$
\frac{3x}{25} + \frac{4y}{25}=1
$$

Igualando os coeficientes da equação da reta com a equação da tangente, obtemos:

\begin{matrix} \displaystyle \frac{3}{a^2}=\frac{3}{25} &\ \ & \displaystyle \frac{4}{b^2}=\frac{4}{25}\\ 3a^2 = 75 & \ \ & 4b^2 = 100\\ a^2 = 25 & \ \ & b^2 = 25 \end{matrix}

Substituindo $a^2$ e $b^2$ na equação geral, obtemos:

$$
\frac{x^2}{25} + \frac{y^2}{25} = 1
$$

Ou simplificando:

$$
x^2+y^2=25
$$

A conclusão que chegamos é que a elipse se degenerou em uma circunferência centrada na origem, pois $a^2=b^2=25$.

Graficamente, temos:

exemplo-reta-tangente-a-uma-elipse-

As Relações de Girard para uma equação quadrática

$
0
0

as-relacoes-de-girard-para-soma-e-produto-de-equacoes-quadraticas

As Relações de Girard (também conhecidas como Fórmulas de Viète) relacionam os coeficientes de uma equação polinomial com a soma e o produto de suas raízes, sem precisar resolvê-las explicitamente. Veremos como aplicar essas relações em equações quadráticas, cúbicas e quárticas.


1. Introdução sobre equações de segundo grau

Uma equação de segundo grau pode ser expressa como:

$$
ax^2 + bx + c = 0
$$

onde:

  • $a$, $b$ e $c$ são coeficientes reais (ou complexos, em casos mais gerais)
  • $a \neq 0$ (para garantir que a equação seja quadrática)
  • $x$ é a variável

As raízes da equação $x_1$ e $x_2$ são os valores de $x$ que satisfazem a equação, podendo ser obtidas através da Fórmula de Bháskara:

$$
x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2-4ac}}{2a}
$$

No entanto, as Relações de Girard permitem determinar a soma $(x_1+x_2)$ e o produto $(x_1 \ x_2)$ das raízes diretamente a partir de seus coeficientes $a$, $b$ e $c$, sem que precisemos encontrá-las por fatoração ou pela Fórmula de Bháskara.


2. A Relações de Girard para uma equação quadrática

Dada uma equação quadrática da forma $ax^2+bx+c=0$ que possui raízes $x_1$ e $x_2$, as Relações de Girard estabelecem que:

a) A soma das raízes $x_1+x_2$é dada por:

$$
x_1+x_2 = -\frac{b}{a}
$$

b) O produto das raízes $x_1\ x_2$é dados por:

$$
x_1\ x_2 = \frac{c}{a}
$$

3. Demonstração

Podemos demonstrar as relações de Girard a partir da forma fatorada da equação quadrática. Vamos assumir que $x_1$ e $x_2$ são raízes da equação $ax^2+bx+c=0$. Podemos expressar a equação na forma fatorada:

$$
a(x-x_1)(x-x_2)=0
$$

Se expandirmos a forma fatorada, aplicando a propriedade distributiva, obtemos:

$$
a(x^2-x\ x_2-x\ x_1 + x_1\ x_2)=0\\
\ \\
a(x^2-(x_1+x_2)x + x_1\ x_2) =0\\
\ \\
ax^2 - a(x_1+x_2)x + a\ x_1\ x_2 = 0
$$

Comparando os coeficientes dessa equação fatorada com a equação quadrática na forma padrão, temos:

  • Coeficiente de $x^2$:
$$a=a$$
  • Coeficiente de $x$:
$$b=-a(x_1+x_2)$$
  • Termo independente:
$$c=a \ x_1 \ x_2$$

A partir do coeficiente de $x$, temos:

$$
-a(x_1+x_2) = b\\
\ \\
x_1+x_2 = -\frac{b}{a}
$$

A partir do termo independente, temos:

$$
a \ x_1 \ x_2 = c\\
\ \\
x_1 \ x_2 = \frac{c}{a}
$$

Conseguimos de forma relativamente simples demonstrar as Relações de Girard válida para quaisquer equações quadráticas, independentemente de as raízes serem reais ou complexas.


Exemplo 1:

Dada a equação $2x^2-8x+6=0$, vamos encontrar a soma e o produto de suas raízes.

Identificamos os coeficientes:

  • $a=2$
  • $b=-8$
  • $c=6$

Aplicamos as Relações de Girard:

a) Para a soma das raízes:

$$
x_1+x_2=-\cfrac{b}{a}\\
\ \\
x_1+x_2=-\cfrac{(-8)}{2}\\
\ \\
x_1+x_2=4
$$

b) Para o produto das raízes:

$$
x_1\ x_2 = \cfrac{c}{a}\\
\ \\
x_1\ x_2 = \cfrac{6}{2}\\
\ \\
x_1\ x_2 = 3
$$

Para efeito de verificação, podemos uar a Fórmula de Bháskara para encontrarmos as raízes:

$$
x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2-4ac}}{2a}\\
\ \\
x = \frac{8 \pm \sqrt{(-8)^2 - 4\cdot 2 \cdot 6}}{4}\\
\ \\
x = \frac{8 \pm \sqrt{64-48}}{4}\\
\ \\
x = \frac{8 \pm 4}{4}\\
\ \\
x_1 = 3\\
\ \\
x_2 = 1
$$

Assim:

\begin{cases}
x_1 + x_2 = 3+1 = 4\\ \ \\
x_1 \ x_2 = 3 \cdot 1 = 3
\end{cases}

Obtendo, assim, os mesmos resultados.


Exemplo 2:

Dada a equação $x^2+2x+5=0$, vamos encontrar a soma e o produto de suas raízes.

Identificamos os coeficientes:

  • $a=1$
  • $b=2$
  • $c=5$

Aplicamos as Relações de Girard:

a) Para a soma das raízes:

$$
x_1+x_2=-\cfrac{b}{a}\\
\ \\
x_1+x_2=-\cfrac{2}{1}\\
\ \\
x_1+x_2=-2
$$

b) Para o produto das raízes:

$$
x_1\ x_2 = \cfrac{c}{a}\\
\ \\
x_1\ x_2 = \cfrac{5}{1}\\
\ \\
x_1\ x_2 = 5
$$

Verificando através da Fórmula de Bháskara:

$$
x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2-4ac}}{2a}\\
\ \\
x = \frac{-2 \pm \sqrt{2^2-4\cdot 1\cdot 5}}{2}\\
\ \\
x = \frac{-16}{2}\\
\ \\
x = \frac{-2 \pm 4i}{2}\\
\ \\
x_1 = -1 +2i\\
\ \\
x_2 = -1 -2i
$$

Assim:

a) Para a soma das raízes:

$$
x_1 + x_2 = (-1+2i) + (-1-2i)\\
\ \\
x_1+x_2 = -1 +2i -1 -2i\\
\ \\
x_1+x_2 = -2
$$

b) Para o produto das raízes:

$$
x_1\ x_2 = (-1+2i)(-1-2i)\\
\ \\
x_1\ x_2 = 1 +2i - 2i -4i^2\\
\ \\
x_1\ x_2 = 1-4i^2
$$

Como $i^2=-1$, temos:

$$
x_1\ x_2 = 5
$$
🔗 Link do artigo: Estudo sobre Números Complexos

4. Construção de equações quadráticas do tipo $x^2-Sx+P=0$

Uma aplicação das Relações de Girard é de construir uma equação a partir de suas raízes.

Dada uma equação em sua forma geral:

$$
ax^2+bx+c=0
$$

Se $x_1$ e $x_2$ são suas raízes, então podemos utilizar as Relações de Girard da seguinte forma:

  • $x_1+x_2 = S = -\cfrac{b}{a}$
  • $x_1\ x_2 = P = \cfrac{c}{a}$

Assumindo que $a=1$, temos:

$$
x^2 - Sx + P = 0
$$

Exemplo 3:

Dadas as raízes $x_1=5$ e $x_2=-2$, vamos construir a equação quadrática que possui essas raízes.

Iniciamos calculando a soma $S$ e o produto $P$:

  • $S = x_1 + x_2 = 5 + (-2) = 3$
  • $P = x_1\ x_2 = 5 \cdot (-2) = -10$

Substituindo em $x^2-Sx+P=0$, obtemos:

$$
x^2 -3x + (-10) = 0\\
x^2 - 3x-10=0
$$

Para verificarmos se esta equação gera as raízes $x_1$ e $x_2$ do enunciado, podemos resolvê-la através da Fórmula de Bháskara e comparar os resultados.

$$
x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2-4ac}}{2a}\\
\ \\
x = \frac{3 \pm \sqrt{(-3)^2-4\cdot 1 \cdot (-10)}}{2}\\
\ \\
x = \frac{3 \pm \sqrt{9+40}}{2}\\
\ \\
x = \frac{2 \pm 7}{2}\\
\ \\
x_1 = 5\\
\ \\
x_2 = -2
$$

Outra forma de obter a equação é utilizar a forma fatorada da equação quadrática:

$$
x^2-(x_1+x_2)x + x_1\ x_2 = 0\\
\ \\
x^2-(5-2)x + 5(-2) = 0\\
\ \\
x^2 -3x-10=0
$$

5. Análise de gráfico e determinação do vértice da parábola

Toda função quadrática do tipo $y=ax^2+bx+c$ representa uma parábola no plano cartesiano.

As coordenadas do vértice da parábola são importantes para entender os valores de máximo ou mínimo, dependendo do sinal de $a$.

Toda parábola possui um eixo de simetria que passa pelo vértice e divide a parábola em dois ramos. A coordenada $x$ do vértice é o ponto onde o eixo de simetria corta o eixo das abscissas e é dado pelo ponto médio entre as duas raízes:

$$
x_V = \frac{x_1+x_2}{2} = \frac{-\cfrac{b}{a}}{2} = -\frac{b}{2a}
$$

Para encontrarmos a coordenada $y_V$ do vértice, substituímos $x_V$ na equação.


Exemplo 4:

Dada a função $f(x)=2x^2-8x+6$, vamos encontrar as coordenadas do vértice da parábola.

Utilizando as Relações de Girard, temos que:

$$
x_1+x_2 = -\frac{b}{a} = -\frac{(-8)}{2}=4
$$

E o vértice está em seu ponto médio:

$$
x_V = \frac{x_1+x_2}{2} = \frac{4}{2}=2
$$

Para encontrarmos $y_V$, substituímos $x_V=2$ na função, obtendo>

$$
f(x) = 2x^2-8x+6\\
\ \\
f(2) = 2x^2 - 8(2) +6\\
\ \\
f(2) = -2
$$

Assim, as coordenadas do vértice da parábola são: $V(2,-2)$.

Graficamente temos:

as-relacoes-de-girard-aplicada-a-de-terminacao-do-vertice-de-uma-parabola


6. Aplicação em problemas de Física

No lançamento de um corpo a uma altura $h$ em função do tempo (representamos por $h(t)$), obedece a uma equação quadrática:

$$
h(t) = h_0 + v_0\ t - \frac{1}{2}\ g\ t^2
$$

As raízes dessa equação correspondem ao tempo em que o corpo atinge o solo. A soma dos tempos $t_1+t_2$, obtidas pelas Relações de Girard, nos ajuda a encontrar o instante de tempo em que o corpo atinge a altura máxima:

$$
t_{max} = \frac{t_1+t_2}{2}
$$

Exemplo 5:

Um objeto é lançado a partir do solo com velocidade inicial de $v_0=20\ m/s$. Considerando a gravidade $g=10\ m/s^2$, vamos determinar a altura máxima atingida pelo objeto.

Tomando a equação:

$$
h(t) = -\frac{1}{2}\ g\ t^2 +v_0\ t + h_0\\
\ \\
h(t) = -\frac{1}{2} \cdot 10 \cdot t^2 + 20t + 0\\
\ \\
h(t) = -5t^2+20t
$$

Os coeficientes dessa função são:

  • $a=-5$
  • $b=20$

Aplicando na relação de soma de Girard, obtemos:

$$
t_1+t_2 = -\frac{b}{a} = \frac{-20}{-5} = 4
$$

E o ponto máximo da trajetória é dadp pelo ponto médio de suas raízes:

$$
t_{max} = \frac{t_1+t_2}{2} = \frac{4}{2}=2
$$

O onjeto atinge o ponto máximo após 2 segundos do lançamento.

Para encontrarmos a altura $h$ máxima atingida pelo objeto, substituímos $t_{max}=2$ na equação:

$$
h(t) = -5t^2+20t\\
\ \\
h(2) = -5\cdot 2^2 + 20 \cdot 2\\
\ \\
h(2) = -20+40\\
\ \\
h(2) = 20
$$

Assim, a altura máxima que o objeto atinge é de 20 metros, após 2 segundos do lançamento.

as-relacoes-de-girard-aplicada-a-problema-de-fisica-no-lancamento-vertical


Referências:
  • Fundamentos de Matemática Elementar V6 - Complexos, Polinômios, Equações - Gelson Iezzi
  • Matemática: Contexto e Aplicações V2 - Dante
  • O Cálculo com Geometria Analítica V1 - Leithold

Resolução da integral da tangente de x: $\displaystyle \int \text{tg}(x)\ dx$

$
0
0

resolucao integral tangente x tg x tg(x) tan(x) int tan x

Este artigo faz parte de uma série de resoluções de integrais que venho fazendo para demonstrar os resultados que encontramos em tabelas.

Primeiramente a integral é resolvida passo-a-passo e em seguida é aplicada em exemplos. Para cada integral, utiliza-se técnicas específicas para sua resolução, que pode ser por substituiçãopor partespor frações parciais ou substituição trigonométrica ou ainda uma combinação de métodos.

Nesta postagem, vamos demonstrar que:

$$
\int \text{tg}(x)\ dx =
\begin{cases}
-\ln|\text{cos}(x)| + C\\
\ \\
\text{ ou}\\
\ \\
\ln|\text{sec}(x)| + C
\end{cases}
$$

Seja a integral:

$$
I = \int \text{tg}(x)\ dx
$$

Reescrevemos o integrando como:

$$
I = \int \frac{\text{sen}(x)}{\text{cos}(x)}\ dx
$$

Para o integrando, fazemos a substituição $u=\text{cos}(x)$. Assim, $du=-\text{sen}(x)\ dx$ e $\displaystyle dx = -\frac{1}{\text{sen}(x)}\ du$:

$$
I = \int \frac{\text{sen}(x)}{u} \cdot \left(- \frac{1}{\text{sen}(x)}\right)\ du\\
\ \\
I = -\int \frac{1}{u}\ du
$$

A integral de $\displaystyle \frac{1}{u}$ é $\ln(u)$. Assim:

$$
I = -\ln(u) + C
$$

Mas, $u = \text{cos}(x)$. Logo:

$$
I = -\ln |\text{cos}(x)| + C
$$

Ou podemos reescrever de outra forma:

Uma vez que:

$$
-\ln |\text{cos}(x)| = \ln \left|\frac {1}{\text{cos}}\right| = \ln |\text{sec}(x)|
$$

Assim, a integral de $\text{tg}(x)$ pode ser expressa de duas maneiras:

$$
\int \text{tg}(x)\ dx =
\begin{cases}
-\ln|\text{cos}(x)| + C\\
\ \\
\text{ ou}\\
\ \\
\ln|\text{sec}(x)| + C
\end{cases}
$$

Exemplo:

Vamos encontrar a área sob a curva $f(x)=\text{tg}(x)$ no intervalo $I=\left[ 0,\cfrac{\pi}{4}\right]$.

exercicio-resolucao-da-integral-da-tangente-de-x-tan-x-tg-x

Para encontrarmos a área sob a curva $f(x)$, utilizamos o conceito de integral definida:

$$
A = \int_0^{\pi/4} \text{tg}(x)\ dx
$$

Utilizando o resultado obtido acima, aplicamos os limites para $x=0$ a $x=\pi/4$:

$$
A = \Big[- \ln\big( \cos(x) \big) \Big]_0^{\pi/4}\\
\ \\
A = -\ln \left[ \cos \left(\frac{\pi}{4}\right)\right] + \ln \big( \cos (0) \big)\\
\ \\
A = -\ln \left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right) - \ln (1)\\
\ \\
A = -\ln \left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right) - 0\\
\ \\
A = \ln \left[ \left( \frac{\sqrt{2}}{2} \right)^{-1} \right]\\
\ \\
A = \ln \left( \frac{2}{\sqrt{2}} \right)\\
\ \\
A = \ln \big(\sqrt{2}\big)\\
\ \\
A = \frac{1}{2}\ln (2)\\
\ \\
A \approx 0,3466
$$

Assim, a área sob a curva $f(x)=\text{tg}(x)$, no intervalo de $0$ a $\pi/4$, vale aproximadamente $0,3466$ unidades de área.


A equação da reta tangente a uma hipérbole

$
0
0

equacao-da-reta-tangente-a-uma-hiperbole

Vamos considerar uma hipérbole em sua forma padrão centrada na origem, com eixo real paralelo ao eixo dos $x$, com equação:

$$
\frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1 \tag{1}
$$

Onde:

  • $a$ é distância do centro da hipérbole a um de seus vértices. Define a abertura da hipérbole ao longo do eixo real.
  • $b$ está associado à distância do centro até os extremos do eixo conjugado.

Se a hipérbole estiver transladada, com centro em $(h,k)$, sua equação será:

$$
\frac{(x-h)^2}{a^2} - \frac{(y-k)^2}{b^2} = 1
$$

Dado um ponto $P(x_0,y_0)$ pertencente à hipérbole, vamos determinar a equação da reta tangente à hipérbole nesse ponto.

Demonstração:

Se derivarmos implicitamente em relação a $x$ a equação da hipérbole, encontramos a inclinação (coeficiente angular) da reta no ponto $P(x_0,y_0)$:

$$
\frac{d}{dx} \left( \frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} \right)= \frac{d}{dx} (1)
$$

Aplicando a regra da cadeia, obtemos:

$$
\frac{2x}{a^2} - \frac{2y}{b^2}\ \frac{dy}{dx} = 0
$$

Vamos isolar $dy/dx$ para encontrarmos a inclinação da reta tangente:

$$
\frac{2y}{b^2}\ \frac{dy}{dx} = \frac{2x}{a^2}\\
\ \\
\frac{dy}{dx} = \frac{2x}{a^2}\ \frac{b^2}{2y}\\
\ \\
\frac{dy}{dx} = \frac{b^2 x}{a^2 y}
$$

Assim, no ponto $P(x_0,y_0)$ o coeficiente angular da reta tangente pode ser expresso por:

$$
m = \frac{dy}{dx} = \frac{b^2 x_0}{a^2 y_0} \tag{2}
$$

Por outro lado, se tomarmos a definição da inclinação da reta, temos:

$$
m = \frac{y-y_0}{x-x_0} \tag{3}
$$

Essa equação também é conhecida por equação ponto-inclinação da reta.

Substituindo $(3)$ em $(2)$, obtemos:

$$
\frac{y-y_0}{x-x_0} = \frac{b^2 x_0}{a^2 y_0}\\
\ \\
y - y_0 = \frac{b^2 x_0}{a^2 y_0} (x - x_0)\\
\ \\
a^2 y_0 (y-y_0) = b^2 x_0 (x -x_0)
$$

Aplicando a propriedade distributiva:

$$
a^2 y_0 y - a^2y^2_0 = b^2 x_0 x - b^2 x^2_0
$$

Reorganizando os termos, obtemos:

$$
b^2 x_0 x - a^2y_0 y = b^2 x_0^2 - a^2 y_0^2
$$

Dividindo ambos os membros por $a^2b^2$:

$$
\frac{x_0x}{a^2} - \frac{y_0y}{b^2} = \frac{x_0^2}{a^2} - \frac{y_0^2}{b^2} \tag{4}
$$

Como o ponto $P(x_0,y_0)$ pertence à hipérbole, temos:

$$
\frac{x_0^2}{a^2} - \frac{y_0^2}{b^2} = 1 \tag{5}
$$

Substituindo $(5)$ no membro da direita de $(4)$, obtemos finalmente a equação da reta tangente à hipérbole:

$$
\frac{x_0x}{a^2} - \frac{y_0y}{b^2} = 1 \tag{6}
$$

Exemplo 1:

Dada a hipérbole de equação $\cfrac{x^2}{16}-\cfrac{y^2}{9}=1$, vamos encontrar a equação da reta tangente no ponto $P\left(5, \cfrac{9}{4}\right)$.

Antes de prosseguir com a resolução, vamos verificar se o ponto $P$ realmente pertence à hipérbole. Para isso, substituímos as coordenadas do ponto $P$ na equação da hipérbole.

$$
\frac{5^2}{16} - \frac{\left(\cfrac{9}{4}\right)^2}{9}=1\\
\ \\
\frac{25}{16} - \frac{81}{16 \cdot 9} = 1\\
\ \\
\frac{25}{16} - \frac{9}{16} = 1\\
\ \\
\frac{16}{16}=1\\
\ \\
1=1
$$

Como a igualdade é satisfeita, concluímos que $P$ pertence à hipérbole. Agora, vamos aplicar as coordenadas do ponto $P$ na fórmula da reta tangente:

$$
\frac{5x}{16} - \frac{\cfrac{9}{4}y}{9}=1\\
\ \\
\frac{5x}{16} - \frac{y}{4}=1\\
\ \\
5x-4y=16
$$

Graficamente, temos:

exercicio-1-reta-tangente-a-uma-hiperbole


Exemplo 2:

Dada a reta $2x+3y=-5$, tangente à hipérbole centrada na origem, no ponto $P(-4,1)$, vamos encontrar a equação da hipérbole.

Vamos verificar se $P$ pertence à reta:

$$
2x+3y=-5\\
\ \\
2(-4)+3(1)=-5\\
\ \\
-8+3=-5\\
\ \\
-5=-5
$$

Como a igualdade foi satisfeita, concluímos que $P$ pertence À reta.

A equação da hipérbole centrada na origem é dada por:

$$
\frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1
$$

Pelo enunciado do problema, a reta é tangente à hipérbole. Sabemos que a equação da reta tangente À hipérbole no ponto $P(x_0,y_0)$ é dada por:

$$
\frac{xx_0}{a^2} - \frac{yy_0}{b^2} = 1
$$

No ponto $P(-4,1)$, temos:

$$
\frac{-4x}{a^2} - \frac{y}{b^2} = 1
$$

A reta $2x+3y=-5$ pode ser reescrita como:

$$
\frac{2x}{-5} - \frac{3y}{-5} = 1
$$

Igualando os coeficientes da equação da reta com a equação da tangente, obtemos:

\begin{matrix}
\cfrac{-4}{a^2}=\cfrac{2}{-5} &\quad \text{e}\quad & \cfrac{-1}{b^2}=\cfrac{3}{-5}\\
2a^2=20 &\quad \quad & 3b^2=5\\
a^2=10 &\quad \quad & b^2= 5/3
\end{matrix}

Substituindo $a^2$ e $b^2$ na equação geral, obtemos:

$$
\frac{x^2}{10} - \frac{y^2}{5/3} = 1\\
\ \\
\frac{x^2}{10} - \frac{3y^2}{5} = 1\\
$$

A conclusão que chegamos é que a reta tangencia a hipérbole em seu ramo da esquerda, uma vez que seus vértices estão em:

$$
x = \pm \sqrt{10} = \pm 3,16 \cdots
$$

Como o ponto $P$ pertence à hipérbole e tem $x=-4 < -\sqrt{10}$, logo, pertence ao ramo da esquerda.

Graficamente, temos:

exercicio-2-reta-tangente-a-uma-hiperbole


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